在臨床上被稱為急性心肌梗死（MI）的心臟病發作時，心肌細胞受到嚴重損傷，最終死亡。根據美國心臟協會介紹，心肌梗死是全球死亡的主要原因。部分原因是由于，人類心臟修復或再生其細胞（被稱為心肌細胞）的能力有限。在過去的十年中，干細胞治療已被探索作為一種方法來再生心肌細胞，但效果喜憂摻半。

近期，來自俄亥俄州立大學的研究人員，在生物醫學工程教授何曉明（Xiaoming He）的帶領下，發明了一種新的干細胞治療方法，表現出極大的潛力，他們的靈感來自于大自然。這項研究成果發表在《Nature Communications》雜志，與傳統方法相比，他們的這種方法顯著提高了植入干細胞的生存率。

研究人員準備多能性干細胞植入心臟，類似于女性身體在生殖過程中準備胚胎細胞植入子宮壁，即預分化和兩個階段的包裹（encapsulation）。多能性干細胞幾乎可以生成身體修復本身所需的任何細胞或組織。

自然生殖步驟包括，組織細胞的增殖，以形成一個聚合體或桑椹胚，包裹在一個薄的保護凝膠殼內。同樣的，研究人員將小鼠胚胎干細胞包裹在一個小核內，封裝在一個半透明的凝膠殼內，在那里它們進行增殖。這個胚胎狀結構非常有助于保持所謂的多能性狀態，或細胞自我更新而沒有自發分化的能力。在女性生殖系統的下一步是預分化，或將桑椹胚編程成更特定的細胞類型。對于心肌梗死的治療研究而言，研究人員將聚集的干細胞預分化為一種早期的心臟階段。

根據何教授介紹，細胞到早期心臟階段的預分化是至關重要的，因為它似乎能把當前再生醫學方法中的一個常見問題最小化，即，畸胎瘤的形成，這可能發展為惡性或良性腫瘤。

他說：“細胞定向成為心肌細胞，但還沒有完全存在。”精確的時間是由細胞的生物標志物所決定的。微陣列芯片和流式細胞儀的數據分析表明，聚集的細胞可在預分化之后成功地定向成為早期心臟細胞系。

在大自然中，已分化的桑椹胚（或囊胚）中的人類胚胎干細胞，可短暫地從凝膠狀的殼中孵出來，然后在植入子宮壁前被再次封裝在一個新的殼中（稱為滋養層）。研究人員通過釋放這些聚集的早期心肌細胞，并在植入受損小鼠心臟之前將它們再封裝進一個生物相容性和可生物降解的支架，模仿了這些步驟。

何教授解釋道：“這種微矩陣重新封裝程序，與傳統的支架設計是相反的，后者首先制備一個支架，然后是與細胞一起播種。”

重新封裝，對于從宿主免疫系統上暫時分離出植入的細胞，也是至關重要的，這樣細胞就能夠適應宿主微環境，而不會引起明顯的免疫反應。這確保了細胞的高存活率。在重新封裝到暫時的微矩陣中之后，他和他的同事們將細胞聚集體注入小鼠體內，這些小鼠有著與心臟病一致的損傷。

植入的細胞，一旦受到人體心臟誘導性的化學、機械和電氣線索的指導，就表現出極好的心肌組織再生能力。注射封裝的多能性干細胞，顯著減少了纖維化，恢復了心肌梗死小鼠的心臟功能，并且改善了動物的存活率。

何教授說：“我們的仿生方法是基于模仿自然現象，并在制備多功能干細胞治療心肌梗死和其他潛在的缺血性疾病方面，具有多重優勢。”

他說，下一步是對人體心臟再生進行研究，在這一階段，研究人員將開始使用來自人類皮膚、脂肪或其他組織的誘導性多能干細胞。

該項目的合作者包括生物醫學工程教授Mingjun Zhang、Wexner醫學中心病理學家和醫學副教授Rulong Shen、Wexner醫療中心醫師和醫學院教授Zhenguo Liu、醫學院副教授Noah Weisleder，以及Davis心肺研究所的研究生和博士后研究員。

何教授表示：“這項研究是工程學、細胞生物學、生理學、病理學和臨床醫學專業知識的絕佳組合的結果。而在俄亥俄州立大學，所有這些專家都離的非常近。”