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心肌损伤是一种常见且严重的心脏疾病，其原因包括药物损伤、病原体感染、心肌细胞缺血缺氧性病变等。随着医学技术的不断进步，心肌修复与再生的研究取得了许多突破性进展，给心肌损伤的治疗带来了新的希望。本节将重点探讨心肌修复与再生的分子机制，以期为临床应用提供理论基础。
新生的哺乳动物心肌细胞具有较强的增殖能力，可以修复心脏损伤，但成年后心肌细胞的增殖能力急剧下降。因此，阐明成年心肌细胞增殖的调控机制，并开发能够激活心肌再生及修复的有效措施，成为科学研究的重要课题。
心脏应对损伤的响应机制主要表现为心肌纤维化，纤维性瘢痕组织取代健康的心肌组织。虽然这是心脏自我修复所产生的，但心肌成纤维细胞（cardiac fibroblast）过度增殖活化可导致纤维结缔组织在心脏内过度沉积，从而破坏正常心脏的结构及功能，仍会引起血流动力学功能障碍和心律失常。在此过程中，心脏中的成纤维细胞会发生增殖并转变为肌成纤维细胞。研究发现，一种RNA结合蛋白肌盲样蛋白1（muscleblind-like protein 1，MBNL1）是肌成纤维细胞形成和纤维化所必需的， MBNL1 缺失能够阻止肌成纤维细胞的分化、纤维化和瘢痕成熟。肌成纤维细胞特异性敲除 MBNL1 可保护心肌梗死诱导的纤维化和不良心脏重塑，为心肌纤维化的临床治疗提供了较好的治疗靶点。有研究表明，SUMO特异性肽酶1（SUMO-specific petidase 1，SENP1）是心脏修复的积极调节因子。心肌细胞特异性 SENP1 缺失小鼠的心肌纤维化增加，这与心肌细胞中纤连蛋白的表达和分泌增加相关，可促进成纤维细胞在心肌损伤时的活化。一项发表于 Circulation 杂志的研究表示，多功能蛋白聚糖（versican，VCAN）是一种心肌成纤维细胞来源的ECM成分，在新生儿心肌损伤后上调，促进心肌细胞增殖。条件敲除心脏成纤维细胞中的 VCAN 会影响心肌细胞增殖，损害新生儿心脏再生。在成年小鼠心肌梗死后的心肌内注射VCAN，可促进心肌细胞增殖，改善心功能。此外，VCAN还能促进人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell，hiPSC）来源的心肌细胞的增殖。在机制上，VCAN激活整合素β1和下游信号分子，从而促进心肌细胞增殖和心脏修复。
心血管疾病具有较高的发病率和致死率。许多内源性和外源性因子会激活心血管系统的固有免疫反应，造成组织损伤，加速病情发展。在参与免疫反应的细胞中，巨噬细胞是病灶中数量最多的一类，主要介导炎症反应。炎症小体是广泛存在于机体内的一种多蛋白复合物，可以识别危险信号，激活细胞因子，参与炎症反应。
心脏中组织巨噬细胞约占间质细胞的7%，对心脏的发育及内稳态的维持具有重要作用。心脏组织内不同的巨噬细胞亚群，可通过遗传谱系追踪和细胞表面表达趋化因子受体2（CCR2）进行区分。两种细胞的起源不一样，在心脏病理生理中的功能也不一样。CCR2 − 巨噬细胞参与各种形式的组织重塑，如冠状动脉发育、出生后冠状动脉生长和心脏再生。新生心脏损伤后，CCR2 − 巨噬细胞通过扩张冠状动脉、促进心肌细胞增殖、引发生理性心肌细胞肥大，协调心肌组织再生和心脏功能恢复。若无此细胞，新生小鼠心脏会显示出很弱的再生能力。CCR2 + 巨噬细胞则可能参与炎症的启动。
心脏巨噬细胞不仅具有典型巨噬细胞的功能，还有一些特殊功能。例如，心脏巨噬细胞会介导心肌细胞的电传导、吞噬心肌细胞排出的代谢废物，并维持代谢微稳态。无刺激或静息时的巨噬细胞被称为M0型巨噬细胞，当巨噬细胞被激活后可具有M1和M2这两种表型。在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或IFN-γ的作用下，M0型巨噬细胞可极化为促炎性M1型巨噬细胞，起抗胞内病原体和抑制肿瘤生长的作用。在IL-4、IL-13、IL-10等作用下，M0型巨噬细胞可极化为抑炎性M2型巨噬细胞，起免疫抑制、组织器官重塑和促进肿瘤生长的作用。另外，M1型和M2型巨噬细胞之间也可相互转化。发生炎症反应后，促炎性M1型巨噬细胞活化，释放促炎性细胞因子，募集和激活T细胞和B细胞，进一步消除病原体。当炎症反应消退时，抑炎性M2型巨噬细胞参与病变组织的重塑。
心肌梗死后，损伤部位发生炎症反应，导致结构和生化改变，并进一步造成不利的心脏重塑和功能障碍。成年小鼠心脏缺血性损伤后，巨噬细胞数量过度增加，通过过度的炎症损伤和受损的瘢痕，限制心脏修复。巨噬细胞中的miRNA-155能够通过靶向心肌肥厚相关通路基因，以旁分泌形式促进心肌肥厚的发生。有研究发现，尿毒症心肌病中浸润的巨噬细胞能够分泌富含miRNA-155的外泌体，并通过直接靶向下调 FOXO3 基因表达，调节心肌细胞的焦亡和肥大。相反，在尿毒症心肌病小鼠模型中，特异性敲低miRNA-155可诱导更高水平的FOXO3蛋白表达，下调细胞焦亡标志物胱天蛋白酶-1（caspase-1）、IL-1β、IL-18和焦亡的执行分子GSDMD蛋白表达，显著降低心脏体重比、缩小心肌肥厚区域，改善心脏功能。
炎症小体作为机体免疫系统的第一道防线，广泛参与各种炎症性疾病的发展和进程。目前研究较多的炎症小体主要有4种，即NLRP3、NLRP1、黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）和含NLR家族CARD域蛋白4（NLR family CARD domain-containing protein 4，NLRC4）炎症小体。炎症小体是心肌梗死后炎症反应与组织损伤的关键介质。有研究表明，Tax1结合蛋白1（Tax1 binding protein 1，TAX1BP1）可作为急性心肌梗死的防治靶点，调控下游炎症小体的活化。TAX1BP1是一种参与促炎信号转导终止的接头分子，是一种重要的选择性自噬接头。研究人员发现，成年雄性C57BL/6小鼠急性心肌梗死后，心肌细胞内TAX1BP1蛋白水平减少，NLRP3炎症小体过度激活。心肌内过表达TAX1BP1，可以缩小心肌梗死面积，改善心脏功能，抑制炎症小体活化。另有研究发现，急性心肌梗死后，钙离子感应受体（calcium-sensing receptor，CaSR）会激活中性粒细胞中的炎症小体，促进梗死后的心室重塑，并导致心肌中NLRP3、IL-1β和IL-18的表达水平增高。CaSR抑制剂Calhex-231会抑制NLRP3及其相关通路，显著缩小急性心肌梗死部位梗死面积，同时改善心肌梗死后心脏功能。在探究C型凝集素Dectin-1对心肌梗死的作用时，研究人员发现心肌梗死后小鼠心脏Dectin-1 mRNA和蛋白的表达显著升高，这可能是通过激活NLRP3和NF-κB导致心脏重塑和心脏功能障碍。敲除 CLEC7A ，则可以抑制NLRP3炎症小体和NF-κB的表达，并减轻心肌梗死后纤维化和心脏重塑。病毒性心肌炎是扩张型心肌病的常见病因。在柯萨奇病毒B3（Coxsackie virus B3，CVB3）诱导的病毒性心肌炎模型中，由ROS和K + 外流激活的NLRP3炎症小体可能发挥重要作用。CVB3引起的心肌炎是最常见和最重要的感染性心脏病。NLRP3炎症小体与CVB3诱导的心肌炎密切相关。IL-1β、caspase-1和含有CARD结构域的凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）在感染后的前7天持续升高。而使用抑制剂抑制caspase-1或使用中和抗体阻断IL-1β/caspase-1途径，均可降低心肌酶活性，改善心功能，提高存活率。由此可知，炎症小体可作为心肌损伤的新型治疗靶点。
巨噬细胞和炎症小体在心肌梗死等心血管疾病的发生发展中均发挥着巨大作用，同时又相互依存、紧密联系。巨噬细胞分泌的细胞因子，如TNF-α、IL-6，在一些心血管疾病的发病机制中广泛存在。这些细胞因子可介导心肌细胞-成纤维细胞的交互作用，促进心脏肥厚和纤维化，抑制心肌细胞的收缩功能，诱导巨噬细胞的炎症激活，并刺激微血管产生炎症反应和出现功能障碍。推测上述过程与炎症小体的激活有关，但具体机制还需进一步深入、细致的研究。此外，炎症小体一旦被激活，分泌的IL-1β、IL-18进一步激活心脏的巨噬细胞，并引起M1型和M2型巨噬细胞之间的相互转化。多篇研究报道指出，NLRP3炎症小体介导M1型巨噬细胞极化。当NLRP3炎症小体被抑制时，M1型巨噬细胞极化也会被抑制，同时促进M2型巨噬细胞极化。
成年哺乳动物心肌细胞再生能力有限，主要是因为心肌细胞在成熟后逐渐退出细胞周期。成熟的心肌细胞可以通过三个步骤重新进入细胞周期，从而形成新的心肌细胞，即去分化、增殖和再分化。近年来，通过调节心肌细胞周期再进入以促进心脏再生，已成为心肌损伤修复研究的重要方向。
心肌细胞周期的调控因子主要包括细胞周期蛋白（cyclin）和周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）。研究表明，通过过表达 CCNA2 ，可以促进成年小鼠心肌细胞的有丝分裂，从而改善心肌梗死后心脏功能。此外，组合过表达 CDK1 、 CDK4 、 CCNB 和 CCND （4F），可以使心肌细胞的增殖率增加15%～20%，并在体外培养的小鼠和人类心肌细胞中观察到细胞周期再进入的增加。
研究发现， TERT 过表达可以恢复停止的心肌细胞周期和促进血管生成，从而促进心肌梗死后的心肌再生修复。异质性胞核核糖蛋白A2/B1（heterogeneous nuclear ribnucleoprotein A2/B1，HNRNPA2B1）激活的端粒酶逆转录酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）阻断了共济失调毛细血管扩张突变蛋白（ataxia-telangiectasia mutated proteins，ATM）依赖的Chk1/p53/p21信号通路，增强了心肌细胞与内皮细胞之间的通信。因此， TERT 作为参与心肌细胞周期再进入和血管生成的关键基因，可能是心肌梗死后心力衰竭的一个有希望的靶点。
Hippo信号通路通过其下游效应因子Yes相关蛋白（Yes-associated protein，YAP）和含PDZ结合基序的转录共激活因子（transcriptional co-activator with PDZ-binding motif，TAZ），在心肌细胞再生中发挥重要作用。YAP的过表达可以增强新生小鼠心肌细胞周期活性并促进心肌细胞的增殖。此外，磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）信号通路也通过调节p21和p27、cyclin D1和CDK2，在心肌细胞周期进展中发挥关键作用。研究证实， ADSSL1 通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）信号通路促进心肌细胞增殖， ADSSL1 的缺失会阻碍新生儿心肌细胞再生，而过表达 ADSSL1 可促进心肌梗死后成人心肌修复和心脏再生，说明 ADSSL1 是治疗心脏损伤很有希望的治疗靶点。
非编码RNA，如微RNA（microRNA，miRNA）、长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和环状RNA（circular RNA，circRNA），在心肌细胞周期调控中的作用日益受到重视。例如，miRNA-199a和miRNA-590通过靶向细胞周期调控因子，能够促进心肌细胞的增殖。而lncRNA，如内源性心脏再生相关调节因子（endogenous cardiac regeneration-associated regulator，ECRAR），通过激活cyclin D1和cyclin E1，促进心肌细胞的再生和心脏修复。研究发现，在心肌梗死后，miRNA-19a/miRNA-19b的表达可促进心肌细胞增殖和心脏再生，并显著缩小心肌梗死面积。其作用机制与上调 CCNB1 、 CCND1 和 CDK1 等细胞周期相关基因的表达水平有关。另有研究通过对年轻和衰老小鼠心脏进行RNA和蛋白组测序，确定了视网膜母细胞瘤蛋白1（retinoblastoma protein1，RB1）和核仁素（nucleolin，NCL）可能在心肌再生中发挥重要作用。通过机制探究发现，circASXL1/RB1和circASXL1/NCL信号通路协调心肌细胞周期再进入。此外，脐带MSC-Exos可通过递送circASXL1刺激心肌细胞周期再进入和胞质分裂，促进心肌修复。
心肌细胞的代谢状态对其细胞周期有显著影响。例如，通过条件敲除心肌细胞中的 PDK4 ，可以减少DNA损伤，促进心肌细胞增殖和心脏功能恢复。线粒体是心脏再生的关键，重塑线粒体代谢方式或降低线粒体翻译水平，都可以促进心肌细胞增殖，以及促进受损后的心脏再生修复。从糖酵解到脂肪酸氧化代谢途径的转变是心肌成熟和退出细胞周期的关键。心肌细胞如果使用糖酵解供能，心脏就可以再生；心肌细胞如果使用脂肪酸氧化供能，心脏就难以再生。研究表明，抑制脂肪酸氧化或加速糖酵解可以促进心肌细胞的增殖。因此，一些科研团队对此进行了探索。有研究发现，只要让 CPT1B 基因失活，就会重编程心肌细胞的能量代谢，让其向恢复分裂能力的方向转变。机制研究发现， CPT1B 缺失带来的代谢重编程，导致α-酮戊二酸积累，进而激活组蛋白去甲基化酶5（lysine-specific demethylases 5，KDM5），使心肌细胞趋向于不成熟，并重新进入细胞周期，最终实现心脏再生。另有研究发现， MRPS5 基因的杂合性丢失，会抑制线粒体的翻译功能，进而促进心肌细胞的增殖和心脏再生，改善心肌梗死后心脏的功能。此外，研究还发现，触发线粒体应激反应的多西环素，也可以通过转录激活因子4（activating transcription factor 4，ATF4）依赖的信号通路，在小鼠心肌梗死后促进心肌细胞再生，改善心脏功能。
表观遗传修饰在心肌细胞周期调控中的作用逐渐被揭示。例如，N6-甲基腺苷作为mRNA的一种常见修饰，其靶向调控可以有效促进心肌细胞重新进入细胞周期。研究发现，α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）可以通过促进含Jumonji结构域蛋白3（jumonji domain-containing protein 3，JMJD3）介导的组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化（histone H3 lysine 27 trimethylation，H3K27me3）去甲基化作用，激活细胞周期基因的表达，从而进一步提高心肌细胞的增殖能力，并促进心肌再生。外源性补充α-KG可以改善心肌梗死后的心脏功能。
这些研究成果为心肌细胞周期再进入提供了重要的理论基础，并为未来的临床治疗提供了可能的策略。
诱导多能干细胞（iPSC）是通过重编程体细胞而得到的类似胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）的一种细胞类型。iPSC具有分化为多种细胞类型的多能性，理论上能够分化形成人体几乎所有的细胞类型。通过强制表达八聚体结合转录因子4（Octamer-binding transcription factor 4，OCT4）、性别决定区 Y 框蛋白2［SRY（sex determining region Y）-box 2，SOX2］、Krüppel样因子4（Krüppel-like factor 4，KLF4）和髓细胞组织增生病毒癌基因同源物（v-myc myelocytomatosis viral oncogene homolog，c-MYC）四种重编程因子（OSKM），可诱导体细胞重新编程和产生iPSC。2006年日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）等利用病毒载体将OSKM转入分化的成纤维细胞中获得了iPSC，并因此获得2012年的诺贝尔生理学或医学奖。iPSC向心肌细胞分化是使心肌细胞再生，治疗心肌梗死、心力衰竭等相关疾病的一项新兴技术。研究证明，OSKM四种转录因子在心脏的特异性表达可以诱导成体的心肌细胞去分化，促进其在体内的增殖，赋予心脏再生的能力。但与大部分再生实验研究面临的问题相同，细胞增殖能力的提高伴随患癌风险的上升，OSKM的过度表达也会导致心脏肿瘤的形成。
心脏损伤会触发心脏成纤维细胞的大量增殖，而心脏成纤维细胞在心脏中含量丰富。虽然成纤维细胞活化有助于损伤修复，但不受限制的纤维化会降低心脏的收缩力。心脏成纤维细胞可通过miRNA、转录因子和小分子在体内直接重编程为心肌细胞样细胞，从而实现心脏组织的原位修复。通过递送转录因子GATA结合蛋白4（GATA binding protein 4，GATA4）、肌细胞增强子因子2C（myocyte enhancer factor 2C，MEF2C）和T盒转录因子5（T-box transcription factor 5，TBX5）等将心脏成纤维细胞重编程为心肌细胞，已在心肌梗死动物模型中显示出有效性，但就该过程的相对低效率而言，挑战仍然存在。胚胎发育中出现的心脏祖细胞（CPC）是体内唯一公认的具有心肌分化能力的干细胞，并具备血管平滑肌细胞和血管内皮细胞分化潜能，具有广阔的心脏再生应用前景。然而，CPC仅在胚胎发育过程中存在，如何从成年人获取和扩增CPC细胞成为亟待解决的关键问题。心脏成纤维细胞也可通过小分子在体外间接重编程为CPC，进而大规模分化为各种心脏细胞类型，从而用于细胞移植、疾病建模等。有研究人员报道，利用小分子化合物组合可将小鼠和人类成纤维细胞重编程为CPC（chemically induced CPC，ciCPC），并实现其规模化扩增。研究人员通过六个小分子的组合成功从小鼠或人类成纤维细胞产生具有强大心血管分化潜能的增殖细胞群。这些化学诱导的ciCPC可在完全化学限定和无异种的条件下长期自我更新，在体外和体内保存CPC表型和心血管分化能力。在梗死后13周内，将ciCPC移植到梗死小鼠心脏可提高动物存活率和改善心功能。
心肌损伤的修复与再生机制是一个复杂且多维的过程，涉及多种细胞和分子的相互作用。干细胞移植技术作为心肌修复的重要手段，展现了广阔的应用前景。心肌修复的研究是一个充满挑战和机遇的领域，需要基础研究、临床医学和生物工程技术的共同努力。未来，通过深入探索心肌修复的分子机制，优化治疗策略，有望为心血管疾病患者提供更为有效的治疗手段，从而改善患者的生活质量和延长患者的生存期。