Kardiomyogene Differenzierungspotenz und Wachstumskinetik von adulten humanen mesenchymalen Stammzellen

Abstract

In den Industrienationen sind kardiale Erkrankungen die häufigsten Krankheitsursachen und durch sie und ihre Folgen entstehen jedes Jahr sehr hohe Kosten für das Gesundheitswesen. Durch das entstehende Narbengewebe nach einem Herzmuskelschaden kann die Herzmuskeltätigkeit insuffizient werden. Bislang wurden noch keinen effektiven Methoden zur Regeneration von hypoxisch Herzmuskelschäden etabliert. Tissue engineering und Stammzellforschung könnten viel versprechende Therapieansätze bei nicht regenerierbaren Gewebsdefekten bieten. Im Besonderen könnten hMSCs aus Knochenmark und anderen Geweben aufgrund ihrer relativ einfachen Gewinnung sowie ihrer möglichen Kapazität zur kardiomyogenen Regeneration attraktive Kandidaten darstellen. In einigen Studien wurden zum Teil sehr unterschiedliche Methoden zur kardiomyogenen Differenzierung von hMSC in vivo und in vitro beschrieben. Dabei wurde neben der Transplantation von undifferenzierten hMSC insbesondere auch die kardiomyogene Differenzierung der Zellen in vitro vor der Transplantation untersucht. Insgesamt ist die Datenlage hierzu sehr widersprüchlich: Zum einen zeigen einige Studien klar, dass aus dem Knochenmark gewonnene MSC nicht zu funktionsfähigen Herzmuskelzellen differenzieren, sondern lediglich immunzytochemische Marker wie Aktin, Myosin und Troponin I exprimieren und sogar kardiomyozytenspezifische mRNA nachgewiesen werden kann, es jedoch nicht zur Bildung eines Aktionspotentials (selbst in der Co-Kultur) und damit nicht zur Kontraktion kommt. Zum anderen konnten jedoch im Vorfeld auch mit den in dieser Studie verwendeten Mediumszusätzen deutlichere Nachweise einer kardiomyogenen Differenzierung inklusive kontrahierender Bewegungen (bei Ratten-MSC) gezeigt werden. In dieser Dissertation wurden vorbeschriebene Methoden zur kardiomyogenen Differenzierung von unterschiedlichen Stammzell-Entitäten in vitro bzgl. ihrer möglichen kardiomyogenen Differenzierungspotenz auf hMSCs miteinander verglichen und sowohl die Proliferationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Passagenummer bestimmt und mit der Differenzierungspotenz in Beziehung gesetzt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die untersuchten Protokolle zur kardiomyogenen Differenzierung von hMSCs unterschiedliche Effekte auf die untersuchten MSC-Populationen haben. Eine deutliche Steigerung der Expression der kardiomyogenen Marker konnte jedoch, vor allem in Hinblick auf die auch bei Kontroll-MSCs beobachtete „endogene“ Expression der kardiomyogenen Marker, nicht verzeichnet werden. Möglicherweise ist eine funktionelle kardiomyogene Differenzierung von hMSCs aus dem Knochenmark nicht effizient und reproduzierbar durchführbar oder die kardiomyogenen Markerproteine sind nicht indikativ für die kardiomyogene Differenzierung von hMSCs.

Acute complications and sequelae of cardiac diseases increase most significantly the morbidity of elderly and are a major financial burden on the health system. Scar formation after myocardial infarction results in chronic heart failure. So far, there are no efficient methods available to regenerate myocardial tissue after hypoxic damage. Tissue engineering and stem cell research may be a promising therapy for permanent tissue defects. Particularly, mesenchymal stem cells (MSCs) obtained from the bone-marrow (BM) or from other tissues could be attractive candidates for cellular therapy of myocardial infarction because of their easy isolation und their potency to promote cardiomyogenic regeneration. In previous studies, different methods for in vitro and in vivo cardiomyogenic differentiation of BM-MSCs were described. In detail, the effects of transplanted undifferentiated MSCs and in vitro pre-differentiated MSCs were investigated. Over all, the published data are inconsistent: On the one hand, some studies showed that BM-MSCs were not able to differentiate in functional cardiomyocytes but express cardiomyocyte-specific markers on mRNA and protein level but lacked of contractile elements and were not capable of electrophysiological integration. On the other hand, other studies reported on cardiomyogenic differentiation including the presence of contractive movements of rat BM-MSCs. In this study, the differentiation potential and growth potential of human (h) BM-MSCs were analyzed focusing on the performance of preclinical in situ tissue engineering. We compared the expression of proteins regarded as specific for the cardiomyogenic lineage after exposure to six cardiomyogenic differentiation media in vitro (Troponin I, artrial natriuretic peptide, alpha sarcomeric actin and slow muscle myosin). Moreover, the growth rates as functions of the passages numbers were analyzed and correlated to the differentiation potential. In summary, the different cardiomyogenic differentiation protocols showed variable effects on the hBM-MSCs. An obvious increase of expression of cardiomyogenic markers could not be detected. Notably, hBM-MSCs that were not treated with differentiation media but only with standard culture media did also express the markers proteins. We hypothesize that either the cardiomyogenic differentiation potential of BM-MSCs is negligible or that the investigated “cardiomyogenic marker proteins” are not indicative for cardiomyogenic differentiation of hBM-MSCs.