诱导心肌细胞“一分为二”或圆心脏再生梦的小分子组合

研究人员发现，5SM可以显著改善心肌梗死后成年大鼠的心功能，减少心脏纤维化的面积，并通过激活乳酸信号和mTOR通路，促进心肌细胞代谢由氧化磷酸化向糖酵解转化，最终诱导心肌细胞增殖和分裂。

心血管疾病严重威胁人类健康。其中，心肌梗死(MI)会导致大量心肌细胞死亡，而剩余的心肌细胞再生能力有限，最终导致心脏纤维化和心力衰竭。促进心肌细胞再生是心肌梗死患者康复的关键。

近日，北京大学未来技术学院熊经纬教授、北京大学化学与分子工程学院雷教授、复旦大学赵世民教授合作，在《细胞干细胞》期刊上发表了一项研究。本研究在国际上首次报道了五种小分子的组合能有效促进成年大鼠的心脏再生，对心肌梗死的治疗起到一定的作用。

面对哺乳动物心脏再生的世界性难题。

对于严重的心肌梗死，临床上一般有两种处理方式。一种是植入支架打开堵塞的血管，促进血液流向心肌梗死区，从而缓解心肌缺血的症状；二是服用可以保护心脏的药物。“但这两种方法都无法恢复因心肌梗死而丢失的心肌细胞，严重心肌梗死患者3-5年内死亡率高达50%。”熊伟说。

“在过去的20年里，世界上治疗心肌梗塞药物的研发没有太大进展。”熊经纬在接受科技日报记者采访时表示，治疗心梗的药物研发成本高，成功率低。很多大型药企都砍掉了这个项目，所以大量心梗患者的临床需求没有得到满足。

面对这种困境，外界对心脏再生医学寄予厚望。

你能使受损的心脏再生吗？这个问题至今没有答案。熊经纬表示，心脏再生领域还有很多未解决的问题。例如，增加成年哺乳动物内源性心肌细胞的增殖对心脏再生非常重要，但成年哺乳动物内源性心肌细胞的增殖率很低；再如内源性心脏干细胞有利于促进心脏再生，但尚未发现成年哺乳动物的内源性心脏干细胞。再比如，可以用胚胎干细胞在体外产生心肌细胞，然后移植到体内，但效率低，容易引起心律失常甚至死亡。

解决心脏再生这一世界性难题已成为许多生物医学科学家的梦想。

此前，有研究人员发现特定的基因和小核酸可以促进成年哺乳动物心肌细胞的再生，但这种机制存在两个问题：一是基因和小核酸输送到人体过程中使用的病毒载体可能会产生副作用，存在安全风险；二是这些基因或小核酸输送到心脏后，表达不可控，存在肿瘤风险，最终会导致动物死亡。也有报道称，单个化学分子在治疗心肌梗死方面有一定作用，但治疗效率很低。此外，也有人通过基因编辑将心脏中的其他细胞(如成纤维细胞)转化为心肌细胞。这种方法在体外效率很高，但在动物体内效率很低。

能不能另辟蹊径？熊经纬研究斑马鱼很久了。这种低等动物拥有人类没有的“超能力”。3354斑马鱼心脏受损后一到两个月就能完全恢复。这是因为斑马鱼的心脏会使部分心肌细胞分裂，即一分为二，这就是“再生”。

受到斑马鱼的启发，熊经纬产生了疑问：包括人类在内的哺乳动物能否像斑马鱼一样，通过分裂心肌细胞来再生受损的心脏？

找到能诱导心肌细胞增殖的小分子组合。

2016年，“以前化学小分子库比较有限，现在已经比较全了。一些库反映了小分子的结构多样性，而另一些库则侧重于小分子的药用特性。”熊经纬介绍，他们的靶向小分子不仅要促进心肌细胞的再生，还要具有良好的药性，即ADME(吸收、分布、代谢和排泄)性质和安全性，可以进入临床I期试验，以便后期围绕这些小分子进行药物研发。

化学小分子库中有11000个小分子是他们筛选出来的具有良好药性的。如果是人工筛选，工作量会非常大。为解决这一问题，研究团队采用了雷建立的一套高通量筛选系统进行筛选。为了“锁定”促进心肌细胞分裂成两个的小分子，研究小组采用了两种荧光细胞周期报告系统，FUCCI(标记有丝分裂的S-G2-M期)和MADM(显示胞质分裂)。FUCCI报告系统非常敏感，符合条件的小分子会很快被标记出来。MADM系统可以进一步验证小分子促进细胞分裂成两个的效果。

“高通量筛查系统和灵敏的报告系统提高了筛查效率。原来要三年才能完成的事，现在一年或半年就完成了。”熊伟说。

最终，研究团队经过6轮筛选，找到了13个候选小分子。“然而，这13个小分子只能有效诱导心肌细胞进入细胞周期，而不能诱导其进行一分为二的胞质分裂。后来我们想把候选小分子组合起来再验证它们的效果，但是13个小分子的组合太多了。我们的策略是首先验证两两组合的效果。”上述研究论文的第一作者、北京大学博士生郑丽霞说。

郑丽霞介绍，基于两两组合的效果，他们进一步结合数学模型，预测出促增殖效果最好的小分子组合。通过体外和体内实验发现，由盐酸去氧肾上腺素、Barcetinib、去氢骆驼蓬碱、VO-OH PIC三水合物和AZD3965组成的小分子组合5SM能够成功诱导成年小鼠的心肌细胞重新进入细胞周期并发生胞质分裂。

体外实验完成后，还必须验证小分子组合5SM在体内的疗效。郑丽霞介绍，由于体内和体外给药方式、剂量和给药次数会有所不同，他们多次尝试，调整给药方式，最终突破难题，证明5S。

研究人员发现，5SM可显著改善成年大鼠心梗后的心脏功能，减少心脏纤维化面积，并可通过激活乳酸信号和mTOR通路，促进心肌细胞代谢由氧化磷酸化向糖酵解转换，最终诱导心肌细胞增殖和分裂。

心梗患者有望用上小分子组合化学药

这项研究成果首次在国际上发现促进心脏再生的小分子药物组合，揭示了心脏再生领域新的细胞和分子机制，并有望找到治疗心梗的候选小分子药物。

熊敬维表示：“有一个很重要的发现就是，我们找到的这些小分子并不通过目前主流认为的Yap通路和MAPK通路起作用，而是通过改变心肌细胞的代谢起作用，这和以前研究发现的心肌细胞再生机制不同。”

对于这项研究成果，中国医学科学院阜外医院心血管疾病国家重点实验室研究员聂宇评价道：“这项研究成果意义重大，这是国际上第一个通过化合物组合诱导心肌细胞原位增殖的研究成果。利用化合物促进心脏再生是大家所期待的一种方式，因为安全性更高。”

熊敬维表示，接下来，研究团队要进一步研究这些小分子发挥作用的机制，同时，基于这项理论成果研发出一些新技术，为开发治疗心梗的药物提供新思路和新策略，并开展临床药物研发工作。

“我们已经知道了这5个小分子中哪个发挥的作用最大，我们想再从另外的4个小分子中找一两个发挥辅助作用，并据此研发新的药物。如果在大鼠和猪实验中证明有药效，我们会推动开展临床试验，争取在两年内申请到国家药监局的相关批文。如果顺利的话，估计5—8年后，我们有望看到心梗患者在治疗中用上小分子组合化学药物。”熊敬维对此充满期待。

此外，这项研究成果将给其他领域的再生医学研究带来一些启示。熊敬维称，这些小分子组合可能会对神经元再生、肾脏再生、骨骼肌再生等其他领域再生问题的研究提供借鉴。“我认为，其启示作用体现在两方面：首先，要促进没有或还没有找到成年干细胞的实体器官再生，可以考虑采取让细胞一分为二的再生策略；其次，可以借鉴这5个分子发挥作用的关键信号通路。”熊敬维说。记者 代小佩