心脏直接重编程再生心脏

梗塞会导致相应数量的心肌细胞的丧失。由于无法自我再生，这些细胞被成纤维细胞取代。这会导致心力衰竭。Priyadharshni Muniyandi博士研究员和M. Sheikh Mohamed博士，东洋大学生物纳米电子研究中心副教授，从事心脏直接重编程研究。他们的技术使用封装在非病毒纳米载体中的microRNA: microRNA靶向心脏成纤维细胞，并通过基因重组使其成为心肌细胞。这是一种很有前途的治疗策略，可以恢复心脏损伤后的心脏功能。

心肌细胞，也叫心肌细胞，是必不可少的，因为它们组成了负责向全身泵血的心肌。心肌梗死，也就是心脏病发作，会导致大约25%的心肌细胞丧失。这些失去的细胞不能自我再生。相反，它们被另一种类型的细胞——成纤维细胞——所取代。成纤维细胞通过填补空隙来保持结构的完整性，但不能承担心肌细胞的肌肉功能。这就导致了心力衰竭:心脏不能有效地泵血以维持足够的血液流动来满足身体的需要。

目前仍没有有效的治疗方法来恢复心脏功能。由于人类心脏不能自行再生，因此需要一种治疗方法。基因重编程一直是这方面研究的核心:科学家一直试图以心脏成纤维细胞为目标，并将它们转化为心肌细胞样细胞。这是一个复杂的过程，面临许多挑战。东洋大学跨学科新科学研究生学院的研究人员Priyadharshni Muniyandi女士和M. Sheikh Mohamed博士开发了一种很有前途的策略，该策略包括将microRNA封装在可生物降解的PLGA纳米颗粒中。microRNA是一种小型非编码RNA分子，可以对细胞进行基因重组。

相同的DNA不同的信号不同的细胞
人体由不同类型的细胞组成，它们执行不同的功能。然而，所有的细胞都有相同的遗传信息:基因从一个细胞到另一个细胞是完全相同的。不同类型细胞的区别在于这些基因是如何表达的:在细胞内，写在DNA中的遗传密码被翻译成蛋白质，但在每个细胞中，并不是每一个基因都被表达。一些基因被翻译成蛋白质，另一些则被沉默。表达的基因组合受各种信号的调节。这就是细胞的特性:细胞以具有特定功能的不同蛋白质组合而结束。

一旦定义了其同一性，细胞一直与其新获得的类型的特征表达相同的基因组合。如此，如此，表达转化为蛋白质的心肌细胞表达基因，使细胞具有其独特的性质。与此同时，心肌成纤维细胞产生细胞外基质，一种支持心脏细胞的结缔组织。

基因重编程依赖于这样一个事实:所有的细胞都有相同的DNA，但接受不同的信号，使它们表达不同的基因，并定义它们的身份:基因重编程旨在模仿某种信号，以改变细胞的身份。在本例中，munyandi和Mohamed使用特定的microrna作为信号，将心脏成纤维细胞重新编程为心肌细胞样细胞。

目前仍没有有效的治疗方法来恢复心脏功能。

microRNA的作用
基因表达是一个多步骤的过程:DNA(脱氧核糖核酸)首先转录成信使rna(信使核糖核酸)，然后翻译成蛋白质。转录和翻译都受到各种因素的调节。microRNA是一种小RNA分子，其序列与靶mRNA序列互补，是这些调节因子的一部分:microRNA与靶mRNA的结合在物理上阻断了蛋白质的翻译。

通过抑制靶mrna的蛋白质翻译，microrna调节蛋白质的产生，从而影响靶蛋白参与的各种过程。例如，microrna与细胞增殖和分化有关。对于miR-1和miR-133a来说就是这样，这两种肌肉特异性的microrna在心脏中大量存在，并且相互作用:miR-133a促进心肌细胞增殖，而miR-1促进心肌细胞分化。

使用microRNA进行心脏直接重编程已被报道为一种潜在的心脏再生治疗方法。然而，成功是有限的，因为过程是具有挑战性的:管理裸microRNA是困难的，因为它很容易降解。利用miR-1和miR-133a，研究人员的目标是找到一种可以有效地将microRNA传递到心脏成纤维细胞的载体。

选择合适的运营商
先前已被用于将靶细胞与感兴趣的基因转染靶细胞，但大多数与不利影响有关。

病毒载体是一种方便的工具，它依赖于病毒用来感染细胞的系统:病毒有能力将其基因组引入目标细胞。病毒载体是经过修饰使其不具有致病性，其遗传物质被感兴趣的基因所取代的病毒。然而，使用病毒载体可能导致基因表达的改变，这与许多其他副作用，如癌症有关。

非病毒载体如脂质体也被使用。脂质体是一种脂质分子，它能形成脂质体和囊泡，这些囊泡能捕获感兴趣的基因，并容易与目标细胞膜合并。虽然含有microRNA的Lipofectamine能够重编程小鼠心脏成纤维细胞，但该系统有其局限性，与它们的半衰期短和短暂的基因表达有关。

聚乙烯亚胺(PEI)是另一种非病毒载体。带正电荷的PEI可以与带负电荷的microRNA形成复合物并结合到细胞膜上。然后复合物被带入细胞。尽管PEI可以被证明是一种有效的载体，但PEI- microrna复合物容易发生蛋白质冠状化:蛋白质覆盖复合物，使其大小增加10倍，这反过来会严重影响细胞对其的吸收，从而降低其转染效果。为了解决这个问题，研究小组使用生物可降解的PLGA(聚乳酸-羟基乙酸)纳米颗粒来封装PEI-microRNA复合物。

纳米粒子的成功
munyandi和Mohamed首次报道了使用PLGA纳米颗粒作为载体的microRNA递送，直接将成人心脏成纤维细胞(AHCFs)心脏重编程成心肌细胞样细胞。PEI用于促进miR-1和miR-133a的包封到PLGA中。为了确保包裹PEI-microRNA的PLGA纳米颗粒能有效地将ahcf重编程为心肌细胞样细胞，研究团队在这个过程中进行了不同的测试。

PLGA-PEI-microRNA纳米球的合成效率很高，约95%的PLGA纳米颗粒被PEI-microRNA包裹。

PLGA纳米颗粒是直接将成纤维细胞重编程成心肌细胞的理想选择之一。

为了测试PLGA纳米球的效率，以用MicroRNA转染AHCFS，该团队还使用PEI-MicroRNA络合物和Lipofectamine转染A​​HCF。从转染可能产生的潜在不良反应之一是细胞毒性：因为载体不是内源化合物，所以可能存在不相容的问题，导致细胞应激并最终对细胞死亡。即使具有高浓度的PLGA纳米球，将确认PLGA纳米球的细胞相容性得到证实为80％的转染细胞。PLGA纳米球比用PEI-microRNA复合物或脂质裂解胺更好，细胞活力更好。除了评估细胞活力之外，另一种测试不同载体的细胞毒性的方法是评估谷胱甘肽水平：谷胱甘肽的耗竭表明细胞应激。在用PLGA纳米球转染的细胞中，未观察到GSH水平的减少，同时用脂质凝乳胺或PEI-MICRRNA复合物转染的细胞略微消耗GSH。这些测试表明，PLGA纳米球与AHCF相容，不会导致任何显着损害。

PLGA纳米球能够有效地进入细胞，毒性可忽略不计，这使得它们具有遗传性重编程的纳米载体。一旦纳米体在AHCFS内化，miR-1和miR-133a将细胞有效地重新编程为心肌细胞样细胞，就下一步骤是检查。为此，评估产生α-肌醇蛋白和CTNT（心肌肌钙蛋白T）的细胞数量。这两种蛋白质是心肌细胞的标志物。因此，这些蛋白质的表达证实细胞已被重新编程为类似心细胞样细胞。当使用PLGA纳米球时，CTNT阳性细胞的数量大大增加，并且当用PEI-microRNA络合物或脂质切割胺转染AHCF时大于。研究人员得出结论，PLGA纳米粒子是直接心脏对心肌细胞直接心脏重编程的理想选择。

纳米纤维和希望未来
还有一个步骤:PLGA纳米颗粒是体外基因重组的有效载体，但要再生心脏，直接注射封装microRNA的纳米颗粒不是最佳策略，因为纳米颗粒寿命短，因此心脏再生需要多次注射。为了应对这一挑战，东洋大学的研究小组正在研究纳米纤维，这种纤维可以模拟细胞外基质，促进心肌细胞的粘附和增殖。该项目的最终目的是将纳米微球嵌入纳米纤维中，并使用这些microrna -纳米颗粒-纳米纤维支架进行心脏直接重编程，以恢复心脏损伤后的功能。