注意：本文所陈述的有关技术仍处于早期科学探索阶段，内容仅为科学原理的普及介绍，不可作为医疗建议。如您有相关疾病困扰，请咨询专业医疗机构或有资质的专业人士。
心肌细胞是心脏的重要肌肉细胞，它使心脏跳动、泵送氧气，并将富含营养的血液输送到人体的各个部位。当心脏病发作时，心脏的血液供应会中断，心肌细胞也随之死亡，被无法收缩的疤痕组织所替代。于是，心脏功能变弱，并且可能会出现异常的跳动。
多年以来，研究人员一直在寻找替换受损心肌细胞的方法。干细胞是一类能够快速生长和分裂的主要细胞，可以分化为包括心肌细胞在内的许多不同的细胞类型，因此可能作为修复器官和组织的理想选择。在一些医学疗法中，干细胞已开发为心脏贴片，这种贴片是心脏的“创可贴”，可以使受损的心肌再生。这篇文章将讨论使用干细胞修复“破损的心”的优点和局限。
心脏为什么能跳动？
我们身体的每个细胞都需要氧气和营养物质才能正常工作。血液是人体内重要的输送功能的承载者，能为细胞带来它们所需的物质。不论你在吃饭、睡觉、骑车还是玩游戏，心脏都在无时无刻的工作着，将血液泵送到你的身体的不同位置。成年人的心脏每天跳动约100000次[1]。
心脏有4个主要的腔室（图1）。缺乏氧气的血液从全身的各个器官回流到右心房，然后流入右心室。当心脏挤压收缩时，右心室将血液泵入肺部，在那里进行充分的空气交换，并补充血液中的氧气。然后，富含氧气的血液回到左心房，然后流入左心室。最后，左心室再次收缩，将富含氧气的血液泵送到身体的各个器官和组织。四片心脏瓣膜控制着腔室间的血液流动，通过定向打开和关闭以防止血液倒流。你可以把这些瓣膜看作是心脏的“交通管制员”，它们确保了血液沿着心脏的“单行道”流动。
那么，心脏是如何跳动的呢？这依赖于心脏的“大脑”——窦房结（sinoatrial node）。窦房结独立于大脑控制着心脏活动，它发放电信号来协调肌肉的同步收缩。此外，如果窦房结出了问题，心脏的每个腔室还有额外的机制来接管心脏的跳动。
心脏的肌肉细胞称为心肌细胞（cardiomyocytes）。据估计，人类心脏平均包含了20-30亿个心肌细胞[2]。这些细胞是怎么知道收缩并产生心跳的时间的呢？实际上，不同心肌细胞的细胞膜会在特殊的结点固定住并形成紧密连接，这些结点能让指使细胞跳动的信号分子通过，从而让所有心肌细胞组成一个单一的功能单元发挥作用。这样，心肌细胞共同工作，向全身泵送血液。
为什么心脏停摆非常危险
就像身体其它器官的细胞一样，心肌细胞也需要氧气和养分才能正常工作。因此，心脏有着独立的、包裹着自身的冠状动静脉系统。心脏并非一个完美的器官，它有着不少缺陷。比如，当冠状动脉阻塞的时候，血液无法正常流动，这时候就容易引发心脏病。
什么因素会阻塞冠状动脉呢？绝大多数因素是冠状动脉病。冠状动脉粥样硬化（atherosclerosis）是冠状动脉病的一种，它是由于脂肪、胆固醇等堆积在血管里，形成斑块状的结构，并导致动脉增厚、硬化或狭窄，阻碍富氧血液的流动。血管里的斑块非常危险，因为它们会脱落并阻塞血液流动，从而使心脏细胞无法获得氧气和营养物质，并导致心脏细胞的损伤或死亡。最终结果就是心脏病发作。
为什么心脏病发作这么危险？当心脏里的细胞缺乏氧气和营养物质时，它们就无法正常工作，于是心肌细胞便不能正常收缩，全身血液供应也会因此中断。一旦发了病，就算医生解决了血管的阻塞、恢复了血液的流动，在血流堵住的几个小时内已经受损的细胞也不可能恢复如初。心脏病的一次发作可能导致上亿的心肌细胞受损或死亡[3]。这些损伤的心肌细胞会由疤痕组织（scar tissue）所替代，后者并没有泵送血液的能力，也会使得心跳异常，并最终可能致使突然死亡。
干细胞能转化为心脏细胞
你是否曾思考，身体里的心肌细胞以及其它细胞都从哪儿来的吗？我们身体的所有细胞最早都来自干细胞（图2）。干细胞可以发育为许多种不同的细胞类型，包括皮肤细胞、神经细胞和心脏细胞等。就像是小朋友最终会长大并选择一份职业一样，干细胞也会发育成熟，分化为专一的细胞并成为身体的特化细胞。
干细胞主要来源于成体组织或胚胎，不过只有胚胎干细胞天然能分化为任何种类的细胞。科学家们已经开发出各种方法对成体细胞进行重编程操作，从而将细胞诱导为多能干细胞（pluripotent stem cells）——它们不像胚胎干细胞一样能任意分化，但也可诱导转化为大多数细胞类型。
图2 - 胚胎干细胞可以快速分裂，并分化为身体内的任何细胞类型。
为了在实验室环境中得到心肌细胞，科学家们向干细胞提供了一些特殊的信号分子，这些信号分子也是发育中的胚胎产生心肌细胞所需要的分子。几天以后，科学家们在显微镜下发现，发育中的心肌细胞能产生类似心跳的跳动！这些心肌细胞会来接下来几周继续成长并分化，这样研究人员能得到大量有功能的心肌细胞。不过，这些实验室培养的细胞还需要经过大量的分子实验来确认其有效性和安全性。
用干细胞修复心脏
为了帮助病人在心脏病发作后恢复，科学家们正使用干细胞来源的心肌细胞来替换心脏中的疤痕组织。
一种方法是使用心脏补丁（cardiac patch），它像是心脏的“创可贴”一样，可以移植到病人心脏上来替代受损的组织（图3）[4]。为了生产这种心脏补丁，科学家们构建了一种特殊的支架环境，这种支架环境模拟了体内组织生长的环境[5]，包括温度、氧气、二氧化碳水平等。然后，将心脏中的各种其它细胞连同干细胞来源的心肌细胞一起，放置在支架上生长。当生长到所需大小的时候，这些心脏补丁会移植到心脏上，期望它们能替代死掉的、不能跳动的疤痕组织。
科学家正在研究多种多样的方法来优化心脏补丁技术。比如，一些研究发现，将干细胞来源的心肌细胞暴露于有节奏的电信号之中，能够增强这些心肌细胞在移植后收缩的能力。
然而，这些技术应用在治疗上仍然有很多的问题。首先，当移植了心脏补丁以后，只有0.1~10%的移植细胞能成功存活并转化为有功能的心肌细胞[3]。这个比例太小，完全不足以恢复心脏的正常功能。另外，一些移植后的细胞不能同步地跳动，也不能像心脏其它细胞一样正常的发挥功能，这反而有可能扰乱心跳节律和心脏的工作状态。
心脏再生领域每天都开展着更多的新研究。尽管心脏病发作危险且致命，科学家们正在努力研究反制病情的疗法，就像上面所说的心脏补丁一样。在科学技术和思想的指导下，心脏病人逐渐越来越有希望摆脱疾病的困扰。
干细胞疗法的未来
干细胞疗法有着广阔的前景，远远不止一个心脏再生范畴。比如，一些研究已经开始用干细胞替换受损的神经细胞。这些受损的细胞主要源自脊髓损伤，或类似阿尔兹海默症、帕金森症等的疾病[7]。干细胞也可能用来生产胰岛素，从而帮助治疗糖尿病患者[8]。科学家们正在研究更多的方法来应用干细胞治疗各种疾病，从而帮助各种病患恢复健康。
参考资料
[0] Spasojevic A, Ruel M, Suuronen E and Alarcon E (2022) Can We Heal A Broken Heart With Cells?. Front. Young Minds. 10:746884. doi: 10.3389/frym.2022.746884 [licensed under CC-BY]
[1] Ceconi, C., Guardigli, G., Rizzo, P., Francolini, G, and Ferrari, R. 2011. The heart rate story. Eur. Hear. J. Suppl. 13:C4–13. doi: 10.1093/eurheartj/sur014
[2] Tirziu, D., Giordano, F. J., and Simons, M. 2010. Cell Communications in the heart. Circulation 122:928. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.847731
[3] Nguyen, P. K., Rhee, J.-W., and Wu, J. C. 2016. Adult stem cell therapy and heart failure, 2000 to 2016: a systematic review. JAMA Cardiol. 1:831–41. doi: 10.1001/jamacardio.2016.2225
[4] Hosoyama, K., Ahumada, M., McTiernan, C. D., Davis, D. R., Variola, F., Ruel, M., et al. 2018. Nanoengineered electroconductive collagen-based cardiac patch for infarcted myocardium repair. ACS Appl. Mater. Interfaces 10:44668–77. doi: 10.1021/acsami.8b18844
[5] Sedlakova, V., Ruel, M., and Suuronen, E. J. 2019. Therapeutic use of bioengineered materials for myocardial infarction. Nanoeng. Mater. Biomed. Uses 161–93. doi: 10.1007/978-3-030-31261-9_9
[6] Zhang, J., Zhu, W., Radisic, M., and Vunjak-Novakovic, G. 2018. Can we engineer a human cardiac patch for therapy? Circ. Res. 123:244–65. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.118.311213
[7] Lee, C., Willerth, S. M., Nygaard, and H. B. 2020. The use of patient-derived induced pluripotent stem cells for Alzheimer’s disease modeling. Prog Neurobiol. 192:101804. doi: 10.1016/j.pneurobio.2020.101804
[8] Jiang, W., Shi, Y., Zhao, D., Chen, S., Yong, J., Zhang, J., et al. 2007. In vitro. derivation of functional insulin-producing cells from human embryonic stem cells. Cell Res. 17:333–44. doi: 10.1038/cr.2007.28
