درمان بیماری های قلبی از طریق سلول تراپی

بیماری های قلبی یکی از مهمترین مشکلات بخش سلامت و علت اولیه مرگ در جهان هستند. علل شایع نارسایی قلبی شامل: انفارکتوس میوکارد(مهمترین علت) و انواع دیگری از بیماری های ایسکمیک قلب، فشارخون بالا، بیماری های دریچه قلب و کاردیومیوپاتی است. مرگ تقریبا 30 درصد افراد در ماه اول پس از ابتلا به انفارکتوس میوکارد است. سازمان بهداشت جهانیWHO  در سال 2008 مرگ17.3 میلیون نفر را ناشی از بیماری های قلب و عروق گزارش کرد که تخمین زده می شود این رقم در سال 2030 به 23.3 میلیون نفر برسد.

اهمیت توجه به درمان با توجه به شیوع و مرگ بالا

امروزه روش های بسیاری برای بهبودی سلامت و تحریک سیستم های ترمیم قلبی به کار گرفته می شود. البته همه ی روش های به کارگرفته کارامد نیست. در بسیاری از موارد هم فرد تا پایان عمر باید دارو مصرف کند. یکی از این روش ها افزایش سلول های دارای قدرت انقباض در قلب است. یا روشی به کار گرفته می شود تا سلول های ترمیم کننده قلب از داخل اضافه شوند و یا از خارج سبب این فرایند می شوند. وقتی سلول های قلبی آسیب می بینند شاید در ظاهر اتفاقی حس نشود اما واقعا سلول ها دچار شکستگی می شوند و ارتباط بین سلول ها از بین می رود و همین موضوع سبب ایستایی قلب می شود.

سلول بنیادین در فرایند بازسازی سلول های قلبی (Myocardial regeneration)

این فرایند ها در آسیب های شدید بافت قلب نمی توانند کارآمد باشند. سلول های پیش ساز مغز استخوان اصولا به صورت پاراکرینی اثر می گذارند و باعث رگ زایی و افزایش خون رسانی به قلب می شوند که این فرایند هم همیشه کارامد نیست. ضعیف بودن مکانیسم ترمیمی داخل قلب،جایگزینی برای سلول های از دست رفته از اهداف مهم طب ترمیمی است.

روش های درمانی کنونی برای انفارکتوس میوکارد و محدودیت ها

درمان های در دسترس مشکل اساسی را که همانا از دست دادن بافت قلبی می باشد را برطرف نمی کنند

01	02	03
پرفیوژن درمانی اولیه برای شریان کرونری مسدود شده(استراتژی اصلی درمان) (در واقع یعنی پرفیوژن و جریان قلبی را بازگردانیم) *با ابزار های مکانیکی، بیوشیمیایی وجراحی(گاهی جراحی صورت می گیرد که عوارض بسیاری را به دنبال خواهد داشت) *کاهش بازدهی رپرفیوژن درمانی و احیای میوکارد معمولا 3 الی 6 ساعت پس از آغاز انفارکتوس	درمان های دارویی شامل عوامل ضد پلاکت،مهارکننده های بتا، مهارکننده آنزیم مبدل آنژیوتانسین (ACE)، مسدود کننده های گیرنده آنژیوتانسینll  و استاتین *کاهش مرگ اما هم چنان میزان مرگ 6- % 14 *احتمال بالای ابتلا به بیماری های قلب وعروق، سکته قلبی مجدد و نارسایی قلبی در بازماندگان	پیوند قلب *محدود شدن این روش درمانی به دلیل کمبود ارگان اهدایی رد شدن پیوند وجود دارد فرد باید تا پایان عمر دارو های سرکوب کننده سیستم ایمنی را مصرف کند.

عدم توان قلب در ترمیم حجم میوکارد از دست رفته و وخیم تر بودن طول عمر بیماران انفارکتوس، حتی از بیماران سرطانی نیازمند به ترمیم عضله قلب و عروق با روش های درمانی جدید است.

سلول تراپی

شیوه ای از درمان است که در آن سلول های فرد بیمار یا سلول های دچار اختلال، با سلول های سالم و کارا جایگزین می شوند. به عبارتی دیگر پیوند سلول های مختلف به بدن شخص بیمار، این سلول ها:

• کاملا تمایز یافته اند(مثل سلول های خونی)
• تحت ژن درمانی اصلاح شده اند)مثل لنفوسیت های اصلاح شده با ژنADA  در بیماریSCID )
• در مراحل بنیادی خود هستند

پیوند سلول های بنیادی شاخه ای از سلول درمانی که استفاده از آن برای درمان قلب آسیب دیده تبدیل به یک رویکرد درمانی امید بخش است.

تکوین اولیه قلب پستانداران

تشکیل قلب در جنین مهره داران کمی بعد از گاسترولاسیون یعنی زمانی که سه لایه زایای جنینی اکتودرم، اندودرم، مزودرم در خط اولیه قرار می گیرند شروع می شود. قلب از مزودرم مشتق می شود و اولین ارگانی است که در مسیر تکوین شکل می گیرد.

تمایز و کنترل مولکولی تکوین قلب

اگرچه تا به حال مکانیسم قلب زایی دقیقا مشخص نشده است اما در این فرایند تمایزی پیچیده، مسیر های پیام رسانی متعددی درگیرهستند. این مسیر ها شامل:

• پیام رسانی گیرنده رتینوئیدX
• سیگنالینگ با واسطه پروتئین کیناز وTGF-B/BMP2
• سیستم اکسی توسین/ گیرنده اکسی توسین
• مسیر سیگنالNodal/Cripto/Alk4
• مسیر سیگنال GTPase Rac1
• مسیر JAK2/STAT3
• مسیر سیگنالینگWnt 11
• سیگنال های کلسیمی وابسته بهca2+ وsp

اگر قرار باشد در شرایط آزمایشگاه یک سلول جنینی بنیادی به سلول قلبی تبدیل شود باید یک سری اتفاقات رقم خورد. بنابراین باید تعدادی از مسیر های سیگنالی تحریک و تعدادی مهار شود تا کرست اولیه قلبی شکل گیرد. برای اینکه سلول بنیادی جنینی ماهیت خود را حفظ کند باید یک سری فاکتور ها و مسیر هایی استفاده شود. یکی از این فاکتور های مهم LIF است.

نمودار تبدیل سلول جنینی بنیادی به قلبی

ECS ←باید به سه لایه ی زایا تبدیل شود توسطBMP (مسیر سیگنالینگ)،SCF ،FGF2 ،LIF

                                          ↓

Mesoderm ← بعد از تشکیل این لایه توسط تحریک مسیر سیگنالینگNoggin  مسیر سیگنالینگBMP  را مسدود می کنیم.

با این کار قسمت قدامی شکل می گیرد بخش قدامی مزودرم سلول های قلبی را می سازد.(گفته می شود مسیرNotch  هم باید مهار شود که هنوز اثبات نشده است.) بخش خلفی مزودرم قسمت عروق قلب را می سازد.

                                          ↓

Anterior of mesoderm ← برای شکل گیری این بخش از مزودرم لازم است مسیر سیگنالینگWnt  ابتدا فعال و سپس مهار شود. بعداز شکل گیری دوباره باید مسیر های سیگنالینگBMP  وWnt  با هم فعال شود تا سلول های قلبی شکل گیرند.

                                          ↓

                                                                              قلب

مکانیسم عمل سلول های بنیادی در درمان بیماری های قلبی

سلول های مزانشیال بنیادی مهمترین اثر نقش پاراکرینی دارد که از طریق آزادسازی فاکتور های محلول رقم می خورد و باعث:

1. عروق زایی مخصوصا سرخرگ زایی می شود که در نتیجه بازسازی عروق رقم می خورد
2. تاثیر بر متاسبولیم قلب، آزادسازی فاکتور های سایتوپروتکتیو(TB4، IGF1، SFRP2) ←سبب اثرات حفاظتی قلب می شود.
3. اثر بر قدرت انقباضی قلب
4. اثر مستقیم بر بازسازی قلب می شوند.
5. تکثیر سلول های ماهیچه ای قلب، فعال شدن سلول های بنیادی قلب می شوند که سبب بازسازی سلول های ماهیچه ای قلب می شود.

علاوه بر نقش پاراکرینی نقش های دیگری هم دارد:

می توانند بر تمایز سلول های بنیادی قلب و ادغام این سلول ها اثر گذارند که باعث بازسازی سلول های ماهیچه ای قلب می شود.

هم چنین می توانند به سلول های پیش ساز اپیتلیالی و عروقی تمایز یابند و در عروق زایی شرکت کنند در نهایت سبب بازسازی عروق می شود.

←در نتیجه همه ی این امور ترمیم قلب صورت می گیرد.

سلول های بنیادی و تمایز به سمت سلول عضله قلبی

1. تزریق مستقیم سلول بدون تمایز
2. فاکتورهای شیمیایی
3. فاکتور های فیزیکی
4. تحریک الکتریکی
5. تحریک مکانیکی
6. تحریک حرارتی

تحریک الکتریکی

• قرار دادن سلول های بنیادی تحت تحریک ثابت الکتریکی در آزمایشگاه
• اخیرا در مطالعات نشان داده شده است که تحریک سلول های بنیادی جنینی توسط پالس الکتریکی سبب تمایز به میوسیت می شود.
• تاثیر شبیه سازی شده پالس های الکتریکی بر روی تولید سلول عضله قلبی از طریق تولید داخل سلولی species oxygen Reactive صورت می گیرد. طی ولتاژ های مختلف اثرات متفاوتی وجود دارد که صرف نظر از ولتاژ عبارتند از:
• بهبود آرایش سلولی، انقباض های همزمان، تمایز قلبی،Ros generation  ،2 برابر افزایش تروپونینT ، 2 برابر افزایشB-MHC ، انقباضخود به خودی، افزایش پرولیفراسیون، طویل شدن سلول ها، افزایش بیانCX45 ، تشکیل gap junction

تحریک مکانیکی

• استفاده از غشاهای سه بعدی برای اعمال بار مکانیکی به سلول ها
• استفاده از محرک های مکانیکی به فرم بارگذاری کششی ثابت یا متحرک
• اعمال بارگذاری متحرک به سلول ها و میوفیبریل های داخل سلولی به صورت موازی
• دستگاه های مختلفی به منظور ایجاد کشش سیکلی طراحی شده است. این دستگاه ها می توانند به صورت تک محوره و دو محوره کشش ایجاد کنند و دارای امکان تنظیم فرکانس نیز می باشند. دستگاه چند محوره سیکلی دارای دو بخش مکانیکی و الکتریکی و محوظه ی کشت سلولی است.

بارگذاری کششی ثابت بر سلول های عضله قلبی نوزاد سبب ایجاد زنجیره سنگین میوزین و شکل سلول ها به فرم سلول های میله ای میشود. شدت تحریک ضعیف سلول های عضله قلب بزرگسال در برابر بارگذاری ثابت است. بارگذاری متحرک بر سلول های عضله قلب بزرگسالسبب تولید پروتئین با شدت بالا می شود.

تحریک مکانیکی	Equiaxial	افزایش بیان cTn و 45CX /بهبود آرایش سلول/ افزایش میزان پرولیفراسیون/ طویل شدن سلول ها/ بهبود تمایز قلبی
	Uniaxial	بهبود مورفولوژی بافتی/ افزایش بیان و a-cardiac action a-skeletal actin

تحریک حرارتی

در حال حاضر هنوز این نوع تحریک در مورد سلول های بنیادی برای تمایز به سمت سلول عضله قلبی انجام نشده است، اما انتظار می رود که اعمال این شیوه برای تمایز به سمت عضله قلب موثر واقع شود. قرار دادن سلول عضله قلبی در معرض دمای باال به طور موقت. افزایش بیان ژن TGF-B بعد از تحریک حرارتی در سلول.

فاکتور های شیمیایی

پروتکل های مختلف برای کشت سلول های بنیادی و تمایز آنها به میوسیت وجود دارد. در شرایط آزمایشگاهی نیاز به تشکیل اجسام شبه جنینی )برای تمایز سلول های بنیادی جنینی( با استفاده از غشایی به عنوان بستر سلول )مثل غشاء سلیکونی برای تمایز سلول های بنیادی مزانشیمی( در هنگام بارگذاری برای تمایز شیمیایی سلول های بنیادی می باشد.

روشی بسیار مرسوم و رایج به منظور افزایش تمایز از فاکتور های رشد مختلفی استفاده می شود این فاکتور ها شامل:

1. فاکتور رشد مشتق از پلاکت
2. اکسی توسین و نیتریک اسید
3. اسفنگوزین -1- فسفات، اریتروپوئیتین
4. DMSO,BMP-2,TGF-B
5. Azacytidine-5(امروزه بیشتر برای دناتوره کردن و باز کردن دو رشته یDNA از هم به کار می رود)
6. رتینوئیک اسید، Dynorphin B

تحریک شیمیایی

هزینه بر بودن و استفاده از فاکتور هایی که از منابع مختلف به دست می آیند و خطر انتقال بیماری به عنوان عیب این روش به شمار می روند انتخاب این موضوع که کدام پروتکل بهترین است بسته به نوع مواد و نوع سلول و شرایط آزمایشگاهی متفاوت است.

تحریک شیمیایی	VEGF	بهبود تمایز قلبی و اندوتلیال/ ظهور PECAM1 وCGA7 سلول اندوتلیالی
	TGF-B,BMP2	افزایش بیانNkx2.5  وMEF2C  / افزایش معنی دار میوسیت های بطنی تپنده وهمزمانی تپش سلول ها با کاردیومی وسیتهای میزبان
	5-Azacytidine	بهبود تمایز قلبی/ افزایش بیان b-MHC,desmin, cardia actin,  troponin
	TGF-B1	افزایش تمایز میوژنیک/ افزایش بیان GATA-4, Nkx 2.5
	PDGF	بهبود تمایز قلبی/ افزایش بیانMHC, cardiac actin

PA024(آگونیست گیرنده رتینوئیدX ) سبب افزایش تمایز قلبی سلول های بنیادی جنینی موش اماPA425 (آنتاگونیست گیرنده رتینوئیدX ) سبب مهار تمایز می شود. اشکال این روش بازدهی کم این فاکتور ها می باشد چرا که تنها بخشی از سلول ها فرایند تمایز را تجربه می کنند.

ویژگی های منبعی ایده ال برای سلول های بنیادی مورد استفاده در بیماری های قلبی

1. جمع آوری آسان سلول
2. امکان تکثیر
3. عدم تحریک پاسخ های ایمنی
4. مقاومت در مقابل شرایط ایسکمیک
5. توانایی تمایز به سلول های دارای عملکرد قلبی

متاسفانه هنوز چنین منبعی که تمام خصوصیات را برای سلول درمانی در بیماری های قلبی داشته باشد شناخته نشده است. مثلا سلول های جنینی اکثر ویژگی های مطلوب را دارند اما می توانند سبب تحریک سیستم ایمنی شوند. هر چند امروزه با استفاده از سیستم های مختلف پاسخ ایمنی را به حداقل می رسانند. سلول های مزانشیمی چون از فرد گرفته می شوند و به او باز می گردند سیستم ایمنی را تحریک نمی کنند اما تمایز آنها به هر سلولی سخت است. مثلا به استخوان و چربی و استوانه ای ساده تر اما به قلب و ریه سخت تر است.

انواع سلول های مورد استفاده در ترمیم ضایعات قلبی  

سلول های آلوژن

جمع آوری ساده ولی تحریک پاسخ های ایمنی (از فرد دیگری به فرد دیگر منتقل می شود و زمان کافی برای تکثیر وجوددارد)

سلول های اتولوگ

مشکل در جمع آوری و تکثیر اما عدم تحریک پاسخ های ایمنی (از خود فرد گرفته می شود اما به دلیل شرایط مختلف ممکن است زمان کافی برای تکثیر آن را نداشته باشیم).

مطالعه بیشتر در سلول های بنیادی عضلات اسکلتی (SMSCs)

انواع سلول های بنیادی برای ترمیم قلب

Embryonic Stem Cell and iPSC

Cardiac Stem Cells( muscular myoblasts)

Skeletal Muscel Stem Cell

Endothelial Precursor

Mesenchymal Stem Cell( BM,AT)

سلول های مغز استخوان و بافت چربی مدنظر است.

Umbilical Stem Cells

سلول های بنیادی جنینی

• سلول های پر توان مشتق شده از توده داخلی جنین در مرحله بلاستوسیست
• توانایی تمایز سلول های بنیادی جنینی انسان به سلول های ضرباندار با فنوتیپ سلول های قلبی
• تشکیل ساختار های سارکومریک، دیسک هایIntercalated ، دیسموز ها و اتصالات شکافی (مانند gap junction)
• توانایی سنسیتیوم های عملکردی با قابلیت افزایش عملکرد قلبی
• پیوند این سلول ها در مدل های حیوانی در ناحیه ایسکمیک عضله قلبی سبب جایگزینی سلول های قلبی مشتق شده از سلول های بنیادی جنینی در محل و بهبود عملکرد قلبی

توجه به تمایز همزمان این سلول ها به سلول های قلبی و رگ های خونی

1.زیرا برای بهبود عملکرد قلب در بیماری احتقانی قلب علاوه بر جایگزین سلول های بنیادی جنینی که باعث افزایش خون رسانی به محل می شوند نیز جایگزین می شوند.

2.توانایی تمایز سلول های بنیادی جنینی انسان و موشی به سلول های اندوتلیال و عضالت در محیط آزمایشگاهی و داخل بدن

درiPSC مشکلات اخلاقی، رد پیوند وجود ندارد. فقط مشکل زمان است شاید زمان کافی برای تکثیر نداشته باشیم یا فرد در حالتی باشد که نتوانیم سلول ها را به او برگردانیم.

سلول های بنیادی قلبی

1.بیان آنتی ژن ها و شاخص های سلول های بنیادی و اندوتلیال

2.در سطح محدودی مسئول مکانیسم های ترمیم داخلی و جایگزینی سلول های قلبی، افزایش آنها مزایای درمانی برای بیماران

3.توانایی جداسازی این سلول ها از بیماران و کشت و تکثیر در محیط آزمایشگاه

4.با استفاده از نمونه های بیوپسی اندوکاردیال می توان سلول های شبیه عضله قلبی را رشد و تمایز داد و به عنوان یک روش سریع و آسان برای پیوند اتولوگ (مزیت) سلول های بنیادی استفاده کرد.

عدم توانایی در پیشگیری از MI  و جراحات ناشی از آن و دچار آپوپتوز و نکروز بعد از گرفتگی عروق اصلی می باشد. مطالعات نشان داده اند که مغز استخوان می تواند یک منبع خوبی برای جبران کاهش این سلول ها در جریان خون موجود باشد.

کاهش در توانایی ترمیم عضله قلب

در مطالعه ای متعاقب MI ← در مرحله حاد تعداد این سلول ها افزایش← سپس در مرحله مزمن

کاهش در تعداد←اختلال و یا نقص عملکردی این دسته از سلول ها ← اختلال عملکردی بطن چپ در ایسکمی

تعداد سلول های بنیادی مقیم در قلب

قلب دارای انواع متعددی از سلول های بنیادی مقیم (بر خلاف سایر بافت ها که حداکثر دارای یک یا دو نوع سلول بنیادی مقیم هستند) است.

• در رت 20-25 ماهه 1 در 10000 میوسیت
• در موش بالغ (8-12 هفته( 500-1000 سلول در قلب (0.3 درصد کل میوسیت های قلب) و در موش دو روزه 3.5 درصد
• بیان مارکر های اختصاصی این سلول ها (Sca-1+ ، CD34+، c-kit+ وCD31+ ) در تقریبا 10 درصد سلول های قلب انسانیک ماهه تا 80 ساله

منابع

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31898791/

https://www.eurostemcell.org/lung-stem-cells-health-repair-and-disease

Godoy-Parejo C, Deng C, Zhang Y, et al. Roles of vitamins in stem cells (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31676963/). Cell Mol Life Sci. 2020 May;77(9):1771-1791. Accessed 3/22/2023.

Alatyyat SM, Alasmari HM, Aleid OA, et al. Umbilical cord stem cells: Background, processing and applications (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32746993/). Tissue Cell. 2020 Aug;65:101351. Accessed 3/22/2023.