對(duì)晚期心功能衰竭的患者而言，心臟移植是首選的方法，但因心臟移植供體缺乏、免疫抑制劑引發(fā)的并發(fā)癥以及移植器官衰竭等因素的限制而不能廣泛應(yīng)用，絕大多數(shù)患者在等待中死亡。其他的治療方式，如機(jī)械輔助裝置及異種移植等，并不能有效地緩解心功能衰竭的癥狀。通過在病變局部直接誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的增殖來提高心功能，可能是一種最直接的治療方式，但心肌缺乏干細(xì)胞，且成熟的心肌細(xì)胞均已分化完全，不能進(jìn)入細(xì)胞循環(huán)，因此心肌缺乏再生能力，心肌梗死后心肌細(xì)胞不可逆喪失，只能依靠成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)形成瘢痕來修復(fù)替代。

近年來，國(guó)內(nèi)外心肌組織工程研究取得了明顯進(jìn)展，展現(xiàn)了良好的臨床應(yīng)用前景。目前心肌組織工程的研究主要采用了以下兩條基本途徑：①通過細(xì)胞移植的方法；②通過將細(xì)胞接種到可降解支架材料上，在體外再造出心肌組織，即組織工程心肌。

一、細(xì) 胞 移 植

將體外純化、培養(yǎng)擴(kuò)增的心肌細(xì)胞或非心肌細(xì)胞移植到受損心肌組織中，用新生的肌組織替代纖維化組織，從而改善心功能。

1．心肌細(xì)胞　Li分離、培養(yǎng)了心房細(xì)胞，并將自體的成熟心肌細(xì)胞注入到凍傷的心肌內(nèi)，術(shù)后不同時(shí)間檢查，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物心功能得到了一定程度的提高。此后他們?cè)诔赡曦i的心臟內(nèi)制備心肌梗死模型，同時(shí)從室間隔收集細(xì)胞，然后將這些細(xì)胞用BrdU標(biāo)記，注入到梗死區(qū)。結(jié)果顯示，接受移植細(xì)胞區(qū)域的心肌運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，灌注分?jǐn)?shù)提高。Yokomuro等還將冷凍保存的心肌細(xì)胞注射到梗死的心臟，發(fā)現(xiàn)了活的移植細(xì)胞。而Reinecke等比較了胎兒、新生兒及成人的心肌細(xì)胞在植入正常的和凍傷的心肌后的存活情況，發(fā)現(xiàn)在所有的環(huán)境中，只有胎兒和新生兒的細(xì)胞形成了活的移植物。

現(xiàn)在已有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，使用胎兒或新生兒的心肌細(xì)胞可增強(qiáng)心臟功能。Soonpaa等第一個(gè)報(bào)道了胎兒心肌細(xì)胞可以被移植并與小鼠正常心肌整合。此后，科研人員進(jìn)行了大量異基因心肌細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：細(xì)胞移植后，在受體心肌中可以發(fā)現(xiàn)移植的細(xì)胞，且心臟功能得到明顯改善。眾多的研究結(jié)果表明，胎兒心肌細(xì)胞是最有價(jià)值的移植細(xì)胞來源，因?yàn)樗鼈兡軌蚝褪苷咝募≡诮Y(jié)構(gòu)和功能上整合。最早發(fā)表的有關(guān)將細(xì)胞移植到病損心肌后，心臟血流動(dòng)力學(xué)改善的研究就是使用了胎兒的心肌細(xì)胞。

國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)基因胎兒心肌細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在移植物和同基因宿主的心肌間存在縫隙連接。另?yè)?jù)報(bào)道，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的細(xì)胞和宿主豬的心室細(xì)胞間也可形成初步的連接，移植到豬左心室壁的人胎兒心肌細(xì)胞能夠存活。但是，到目前為止，來自轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的心肌細(xì)胞系仍未建立起來。至于作為異基因移植來源的其他物種（如豬），從長(zhǎng)期來說能否作為供體來源，仍需要進(jìn)一步探討，因?yàn)槌舜嬖诿庖邔W(xué)上的障礙外，還有潛在的病原微生物傳播的威脅。

2．骨骼肌肌原細(xì)胞　1995年，Chiu等從狗骨骼肌中分離出了肌原細(xì)胞，將其標(biāo)記后移植到自體心肌受損部位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肌原細(xì)胞分化成了具有心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的細(xì)胞。Corsin將骨骼肌肌原細(xì)胞移植到大鼠心梗部位，用超聲心動(dòng)圖檢查評(píng)價(jià)移植前后心臟功能。發(fā)現(xiàn)移植了細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)組左室射血分?jǐn)?shù)從40．4%提高到47．3%，而對(duì)照組則從40．1%下降到36．7%。

1998年Dorfman等采用DAPI標(biāo)記的衛(wèi)星細(xì)胞再次證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。Taylor等將自體骨骼肌肌原細(xì)胞移植到兔因凍傷而壞死的心肌部位，并對(duì)心功能進(jìn)行6周的體內(nèi)監(jiān)測(cè)，在壞死區(qū)發(fā)現(xiàn)了保留骨骼肌和心肌細(xì)胞特征的紋狀細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)還證明，進(jìn)行肌原細(xì)胞移植的動(dòng)物，心臟功能得到明顯提高。正是由于位于骨骼肌質(zhì)膜和基板之間的這些衛(wèi)星細(xì)胞能夠與周圍的肌原細(xì)胞融合或與損傷的肌纖維融合再生，而且在進(jìn)行體內(nèi)移植前，還可以在體外對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)增與基因修飾，因此，骨骼肌肌原細(xì)胞已經(jīng)成為細(xì)胞移植的主要細(xì)胞來源之一。

3．骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞　骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外經(jīng)5－氨胞苷誘導(dǎo)后具有分化成心肌細(xì)胞的潛能。在鼠心梗模型中，Orlic等用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植到梗死區(qū)域，發(fā)現(xiàn)由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化出的心肌細(xì)胞占梗死部位的68%，且見新生血管生成，表明受損心肌得到修復(fù)并形成有功能的心肌組織。研究人員還將大鼠的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外擴(kuò)增后標(biāo)記并注入心肌，發(fā)現(xiàn)在心肌的環(huán)境中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以表達(dá)心肌細(xì)胞的表型。這些細(xì)胞可以通過骨髓穿刺反復(fù)獲取，并可在體外大量擴(kuò)增，且不需要免疫抑制，因此是細(xì)胞移植中前景廣闊的細(xì)胞來源。

4．成纖維細(xì)胞　Lattanzi等曾報(bào)道了一種可以高效地將人成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變成心肌細(xì)胞的方法。該方法主要通過以腺病毒介導(dǎo)的MyoD基因轉(zhuǎn)染來實(shí)現(xiàn)。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)化細(xì)胞和同一物種原來的肌細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生化特征上十分相似，將其注射到免疫缺陷小鼠的骨骼肌中時(shí)，細(xì)胞也形成了正常的肌纖維。研究者們還使用同樣的技術(shù)將心肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱思≡?xì)胞。另外Tam等也報(bào)道，通過反轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)MyoD基因，心臟的成纖維細(xì)胞可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄δ艿墓趋兰〖?xì)胞。這提示轉(zhuǎn)染的MyoD基因在治療心肌損害時(shí)可以誘導(dǎo)骨骼肌的分化，這是由于MyoD家族可表達(dá)生肌轉(zhuǎn)錄因子，它們是誘導(dǎo)骨骼肌分化的重要物質(zhì)。

二、通過細(xì)胞－支架復(fù)合體方式再造心肌組織

通過細(xì)胞－支架材料復(fù)合體的方式再造心肌組織是心肌組織工程的第二條途徑。能否再造出心肌組織，關(guān)鍵取決于是否選擇了性能良好的細(xì)胞支架材料、是否擁有足夠數(shù)量的種子細(xì)胞以及是否能夠獲得優(yōu)良的復(fù)合體體外培育條件。

1．支架材料　用于心肌組織工程的支架材料必須具有生物相容性，并能滿足細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)和生物學(xué)上的需要。生物學(xué)來源的細(xì)胞支架材料還要求具有生物可降解性。對(duì)此類材料的研究已取得了一些成功，但仍存在一些問題有待解決，如在支架材料制備過程中，如何去除能夠引起免疫排斥反應(yīng)的細(xì)胞而不破壞細(xì)胞外基質(zhì)。

（1）去細(xì)胞基質(zhì)：取自于異種動(dòng)物的支架材料，為消除其免疫原性，需要經(jīng)過甲醛溶液或戊二醛去蛋白處理，但可能導(dǎo)致支架材料因蛋白交膠而變硬，順應(yīng)性降低。生物合成材料上殘余的細(xì)胞有使材料鈣化、被免疫識(shí)別的副作用，因而需要進(jìn)行脫細(xì)胞處理，天然的血管經(jīng)處理后可用作構(gòu)建組織工程學(xué)血管的修復(fù)材料，包括心臟瓣膜或血管移植物。Goldstein等研究了異種去細(xì)胞基質(zhì)構(gòu)建組織工程學(xué)材料支架，豬瓣膜（非冠狀動(dòng)脈瓣）去除其細(xì)胞后的基質(zhì)，已經(jīng)減輕了免疫原性。在體外將主動(dòng)脈瓣和二尖瓣重新縫合構(gòu)成一個(gè)新的三尖瓣后，將其移植至新生綿羊以及患者，觀察其形態(tài)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用豬的基質(zhì)構(gòu)建的組織工程學(xué)瓣膜功能良好，與正常的主動(dòng)脈瓣相似。移植于綿羊右室流出道的瓣膜基質(zhì)約80%被成纖維細(xì)胞或肌纖維細(xì)胞重新細(xì)胞化，移植物150d后無鈣化，336d后僅有輕度的鈣鹽沉著。超聲心動(dòng)圖證實(shí)組織工程學(xué)瓣膜在移植期血流動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)正常。人類的移植試驗(yàn)表明，構(gòu)建的瓣膜體內(nèi)的功能有效期達(dá)9個(gè)月之久，組織工程學(xué)異種心臟瓣膜作用與自體瓣膜相似，有可能用于臨床瓣膜疾病的替換治療。

（2）完全自體化的支架：心血管組織工程學(xué)三維支架材料主要用作生理支持和細(xì)胞附著的模板，目前使用的支架都會(huì)有潛在的免疫性，并且可引起炎癥反應(yīng)和毒性降解，Ye等嘗試采用自體細(xì)胞構(gòu)建三維支架，將降主動(dòng)脈的成肌纖維細(xì)胞分離出來，并在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，形成一層細(xì)胞層，再將其折疊成4層，繼續(xù)培養(yǎng)4周。結(jié)果顯示培養(yǎng)的細(xì)胞形成多層結(jié)構(gòu)，外面有基質(zhì)包繞折疊后的細(xì)胞層進(jìn)一步發(fā)展，形成牢固且有一定柔性的組織，細(xì)胞外基質(zhì)含量與天然組織相似，并可見膠原纖維。這些結(jié)果表明，改進(jìn)的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可采用人類主動(dòng)脈成肌纖維細(xì)胞構(gòu)建具有組織樣結(jié)構(gòu)的生物材料，在此基礎(chǔ)上可完全采用人的自體細(xì)胞構(gòu)建三維的心血管修復(fù)材料。

（3）高分子材料支架：高分子材料支架一直被用作構(gòu)建組織工程學(xué)血管的支架，可降解的高分子材料如聚羥基乙醇（PGA）和聚丙醇酸等使用得比較廣泛。PGA和聚丙醇酸的混合材料用于肺動(dòng)脈瓣瓣葉及肺動(dòng)脈的替代治療效果較好，若用于體循環(huán)系統(tǒng)則可有動(dòng)脈瘤形成，Shum－Tim等對(duì)此作了改進(jìn)。采用PGA和聚羥鏈烷酸酯（polyhydroxyal－kanoate）的復(fù)合高分子材料作支架，縫合成4cm長(zhǎng)，內(nèi)徑7mm的管道。其內(nèi)層隨機(jī)植入PGA網(wǎng)，可提供三維支架。供細(xì)胞附著和生長(zhǎng)，6～8周即被水解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示移植到腹主動(dòng)脈部位的組織工程血管張力、切應(yīng)力等特性均和正常血管相似。這種高分子材料可用作構(gòu)建組織工程血管的良好支架。

2．構(gòu)建細(xì)胞與支架材料的復(fù)合體　采用組織工程技術(shù)在體外復(fù)制的心肌組織具有固定的組織結(jié)構(gòu)，與單純的細(xì)胞懸液體內(nèi)移植相比，前者體內(nèi)移植后更易于產(chǎn)生顯著的心肌擴(kuò)大。Li等將胎鼠心室肌細(xì)胞，胃平滑肌細(xì)胞、皮膚成纖維細(xì)胞、成年人心房和心室肌細(xì)胞接種到可生物降解的明膠網(wǎng)格，并研究了其體外特征，結(jié)果表明，除成熟心室肌細(xì)胞外，所有的細(xì)胞類型都在網(wǎng)格內(nèi)得到一定程度的增殖。將載有胎兒心肌細(xì)胞的支架移植到皮下組織或心肌瘢痕組織，盡管未發(fā)現(xiàn)心室功能的顯著提高，但發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在移植物內(nèi)存活并與受者心肌組織整合在一起。Leor等將胎兒心肌細(xì)胞接種到多孔明膠支架上，然后將此復(fù)合物移植到心肌瘢痕中，發(fā)現(xiàn)移植物內(nèi)有廣泛的新生血管形成。對(duì)照組動(dòng)物出現(xiàn)了左心室擴(kuò)張，心功能不全等癥狀，而移植組動(dòng)物則未發(fā)生上述癥狀。

3．在生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)培育細(xì)胞－支架復(fù)合體　用于組織工程的生物反應(yīng)器大致可以分為灌注式、攪拌式以及旋轉(zhuǎn)式三種類型。它們是細(xì)胞在體外大量擴(kuò)增并產(chǎn)生新生組織的重要工具。在攪拌式生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)復(fù)合體與在普通培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)培養(yǎng)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：前者能使新陳代謝的參數(shù)維持在生理范圍內(nèi)，并可使復(fù)合體內(nèi)細(xì)胞濃度增加；有利于供氧，使細(xì)胞形態(tài)拉長(zhǎng)。旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器與攪拌式生物反應(yīng)器以及培養(yǎng)瓶不同，液體的流動(dòng)為層流，而且是動(dòng)態(tài)的，因此與前兩者相比，其中培養(yǎng)的復(fù)合體具有更為活躍充足的氧代謝。

心肌組織工程是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，國(guó)外在體外構(gòu)建具有三維結(jié)構(gòu)的心肌組織研究?jī)H有少量報(bào)道。1997年，F(xiàn)reed和Vunjak－Novakovic將新生鼠心肌細(xì)胞接種到可降解聚合物支架——PGA支架上，形成兩者的復(fù)合體，并將復(fù)合體在旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培育，體外培育數(shù)周后，可見在生物反應(yīng)器內(nèi)形成了具有收縮能力的心肌組織。A－kins等將心肌細(xì)胞接種于膠原纖維和微載體上，在旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)，研究它們的代謝酶的活性，并與單純培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)培養(yǎng)進(jìn)行了比較。Rebecca等對(duì)細(xì)胞接種和組織培養(yǎng)條件如何影響工程化心肌復(fù)合體結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了研究，證明在旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的復(fù)合體在體外培育1～2周后，復(fù)合體開始表達(dá)心肌特異性蛋白，并呈現(xiàn)出心肌的超微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)，移植細(xì)胞開始具有與自體心肌細(xì)胞相似的代謝活性，這對(duì)構(gòu)建新的可供臨床應(yīng)用的組織工程化心肌組織將會(huì)有所幫助。

心肌組織工程研究盡管只有10年左右時(shí)間，但卻引起了國(guó)內(nèi)外眾多科研人員的重視。目前國(guó)外心肌組織工程研究在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面已取得了一定進(jìn)展。據(jù)報(bào)道，美國(guó)的組織工程領(lǐng)域研究人員目前正在開展在實(shí)驗(yàn)室里培植人類整個(gè)心臟的研究，這項(xiàng)研究預(yù)期10年，耗資1　000萬美元。國(guó)內(nèi)心肌組織工程研究尚處于起步階段。隨著醫(yī)學(xué)及各門相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，心肌組織工程必將為眾多心臟病患者帶來福音。