Bereich: Grundlagenforschung Herzkreislauf

Dr. Nathalie Rosenblatt Lausanne

Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor-2 kontrolliert die Differenzierung von lokalen Herzvorläuferzellen zu funktionellen Kardiomyozyten

Zusammenfassung
Es wird angenommen, dass kardiovaskuläre Erkrankungen und insbesondere die Herzinsuffizienz in den entwickelten Ländern zum wichtigsten Gesundheitsproblem werden könnten. Obwohl bei der Behandlung solcher Patienten erhebliche Fortschritte gemacht wurden, bleibt die Herztransplantation die letzte Therapiemassnahme bei der Herzinsuffizienz. Allerdings müssen wegen des Mangels an einsetzbaren Organen alternative Ansätze in Betracht gezogen werden. In diesem Zusammenhang stellt die im Anschluss an eine Verletzung erfolgende therapeutische Regenerierung des Herzmuskels durch Transplantation von Stammzellen einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von Herzerkrankungen dar.

Stammzellen sind durch ihr Proliferationspotenzial sowie durch die Fähigkeit gekennzeichnet, einen oder mehrere Typen von terminal differenzierten Zellen hervorzubringen. In Abhängigkeit von ihrem Ursprung werden zwei Arten von Stammzellen unterschieden. Die embryonalen Stammzellen (ES), die von der inneren Zellmasse der frühen Blastozyten abgeleitet sind, und die Stammzellen von Erwachsenen, die in den reifen erwachsenen Organen des Körpers gefunden wurden. Von den Stammzellen von Erwachsenen wurde angenommen, dass sie auf Organe oder Gewebe beschränkt sind (d.h. sie können entsprechend ihrer Umgebung einen beschränkten Bereich von differenzierten Zelllinien bilden). Nun scheint es aber, dass gewisse Stammzellen von Erwachsenen, die von ihrer üblichen Umgebung entfernt wurden, zu Zellen differenzieren können, die sich von den drei Keimzellenschichten (Ektoderm, Mesoderm und Endoderm) ableiten.

Die Existenz von lokalen Herzvorläuferzellen (CPCs) war während langer Zeit umstritten. In der Tat wurden kardiale Myozyten herkömmlicherweise als terminal differenzierte Zellen betrachtet, die sich an eine zunehmende Belastung anpassen und den Zellverlust ausschliesslich über Hypertrophie kompensieren. In den letzten Jahren haben sich jedoch überzeugende Hinweise ergeben, dass das Herz ein höheres Regenerationspotenzial besitzt als bisher angenommen. Ausserdem wurde nun festgestellt, dass unter gewissen Bedingungen in Herzen von erwachsenen Nagetieren und Menschen eine Differenzierung von Kardiomyozyten erfolgen kann. Der Ursprung (exogen (von Aussen: von Muskeln oder Knochenmark) oder endogen (vom Herzen)) der differenzierenden Stammzellen konnte jedoch bislang noch nicht aufgeklärt werden.

Die von uns in den vergangenen drei Jahren gewonnenen Resultate weisen darauf hin, dass im Herzen von neugeborenen Mäusen multipotente Stammzellen existieren. Insbesondere haben wir festgestellt, dass 1) die Nicht-Myozyten-Fraktion von neonatalen Mäuseherzen gewisse Zellen enthält, die zur Differenzierung zu verschiedenen Zelltypen einschliesslich Kardiomyozyten fähig sind; 2) diese Herzvorläuferzellen ein als Stammzellantigen-1 oder Sca-1 bezeichnetes spezielles Protein exprimieren, das auch an der Zelloberfläche von hämatopoietischen Stammzellen exprimiert wird; 3) der Fibroblasten-Wachstumsfaktor-2 (FGF-2) für die Differenzierung von Herzvorläuferzellen zu Kardiomyozyten erforderlich ist; 4) einige der kardialen Nicht-Myozytenzellen sich im Herzen einnisten ("homing") und in vivo zu Kardiomyozyten differenzieren.

Herzvorläuferzellen sind multipotent
Die Nicht-Myozytenzellen (NMCs) werden aus einer Fraktion von neonatalen Mäuseherzen isoliert. Diese Zellpopulation enthält keine Endothel- und hämatopoietische Zellen und keine reifen Kardiomyozyten. Im Gegensatz dazu exprimieren gewisse Zellen, die zur NMC-Population gehören, die Stammzellantigene Sca-1 und c-kit, islet1, die Transkriptionsfaktoren Snail und Slug wie auch E-, N- und Ve-Cadherine. Bei der Kultivierung in geeignetem Medium differenzieren 5% der NMCs zu spontan kontrahierenden Zellen, welche Herz-spezifische Proteine wie Nkx2.5, GATA-4, MLC-2v, Troponin I oder a-Aktinin exprimieren. Darüber hinaus enthalten NMCs auch Zellen, die fähig sind, zu Adipozyten, Osteoblasten oder Skelettmuskeln zu differenzieren. Diese Resultate weisen darauf hin, dass in der NMC-Fraktion von neonatalen Mäuseherzen gewisse multipotente Zellen existieren.

Sca-1+-Zellen differenzieren zu Kardiomyozyten
Sca-1+-Zellen stellen nach der Isolierung 10% und nach der Proliferation 30% der Gesamtzahl von NMCs dar. Dies weist darauf hin, dass Sca-1+-Zellen stark proliferien oder dass die Sca-1-Expression während der Expansion auf der Zelloberfläche von gewissen NMCs induziert wird. Während der Differenzierung der Herzvorläuferzellen zu Kardiomyozyten können drei verschiedene, die Sca-1-Expression betreffende Zellpopulationen unterschieden werden: die eine exprimiert nur Sca-1, die andere koexprimiert Sca-1 und Herz-spezifische Marker wie Troponin I, und eine weitere exprimiert nur kardiale Marker ohne Koexpression von Sca-1. Diese Resultate weisen darauf hin, dass gewisse Sca-1+-Zellen zu Kardiomyozyten differenzieren. In vivo können Sca-1+-Zellen in Herzen von neugeborenen und erwachsenen Mäusen nachgewiesen werden. Interessanterweise steigt die Anzahl der Sca-1+-Zellen, wenn das erwachsene Herz einer Belastung ausgesetzt wird, was darauf hinweist, dass die Sca-1+-Zellen erforderlich sind oder dass die Expression von Sca-1 auf den Zellen im hypertroph geschädigten Herzen verstärkt ist.

Kardiomyozytendifferenzierung erfordert die Freisetzung von Fibroblasten-Wachstumsfaktor-2 (FGF-2)
Die Expression von FGF-2 wird während der Differenzierung von CPCs zu reifen Kardiomyozyten stark aufreguliert, was darauf hinweist, dass der FGF-2 am kardiogenen Differenzierungsprozess beteiligt ist. Um die Rolle von FGF-2 bei der Kardiomyozytendifferenzierung zu bestimmen, wurden NMCs mit fehlender FGF-2-Expression in einem geeigneten Medium kultiviert, wobei aber keine reifen Kardiomyozyten in den Kulturen der FGF-2-defizienten Zellen nachgewiesen wurden. Die Zugabe von exogenem FGF-2 zu FGF-2-defizienten Kulturen stellte die Differenzierung wieder her.

Einnisten und Differenzierung von NMCs in vivo
Um die Fähigkeit von Herzvorläuferzellen, sich einzunisten und zu Kardiomyozyten zu differenzieren in vivo zu prüfen, führten wir in neonatalen und/oder erwachsenen Mäusemodellen, welche das physiologische beziehungsweise das pathologische Remodelling des Herzens nachahmen, Zelltransfer-Experimente durch. Um die Zellen in vivo zu verfolgen, werden die injizierten NMCs entweder mit Fluorochrom gefärbt oder aus Herzen isoliert, welche das GFP- oder das lacZ-Gen exprimieren. In beiden Modellen wandern gewisse NMCs zum Herzen und differenzieren ohne Fusion mit den Wirtszellen zu Kardiomyozyten. Allerdings erfordert die Differenzierung zu Kardiomyozyten im neonatalen Herzen die Anwesenheit von FGF-2 entweder im Wirt oder in den injizierten Zellen. In der Tat können sich FGF-2-defiziente Zellen in FGF-2-defizienten Herzen einnisten, können aber nicht zu Kardiomyozyten differenzieren.

Bedeutung der Arbeit
In unserer Arbeit zeigten wir, dass die aus dem neonatalen Mäuseherz isolierte kardiale Nicht-Myozytenzellpopulation eine Untergruppe von Zellen enthält, die das Sca-1-Antigen exprimieren und die Fähigkeit besitzen, in vitro zu funktionellen Kardiomyozyten zu differenzieren. Diese Vorläuferzellen können sich im Herzen einnisten und auch bei in-vivo-Injektion zu Kardiomyozyten differenzieren. Interessanterweise hängt dieser Differenzierungsprozess vom Fibroblasten-Wachstumsfaktor-2 (FGF-2) ab, da Zellen ohne FGF-2 keine reifen Kardiomyozyten bilden können und ihre Differenzierung bereits auf einer Vorläuferstufe beenden.

Diese neuen Resultate öffnen die Tür für neue zelluläre Strategien. Anfänglich bestand die zelluläre Therapie bei geschädigten Herzen in der Injektion von exogenen Stammzellen. Die ideale Quelle von Zellen für die zelluläre Therapie bleibt allerdings noch zu bestimmen. Inzwischen können nun auf der Mobilisierung und Differenzierung von lokalen Herzstammzellen beruhende zelluläre Therapien entwickelt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Herzvorläuferzellen besser identifiziert und die an der Proliferation und Differenzierung beteiligten Faktoren dieser Vorläufer charakterisiert werden. Wir zeigten, dass das Stammzell-Antigen-1 (Sca-1) – ein an der Zelloberfläche von 10% der kardialen Nicht-Myozytenzellen exprimiertes Protein – als Marker für Herzvorläuferzellen verwendet werden könnte. Noch bedeutsamer ist, dass der Differenzierungsprozess dieser Herzvorläuferzellen die Anwesenheit des Fibroblasten-Wachstumsfaktors-2 (FGF-2) erfordert. Es wurden nun mehrere klinische Studien begonnen, um das therapeutische Potenzial von FGF-2 bei Herzkrankheiten zu untersuchen. Insbesondere wird FGF-2 zurzeit als Medikament zur Stimulation der Revaskularisation für die Behandlung von chronischen ischämischen Erkrankungszuständen geprüft. Unsere Resultate weisen darauf hin, dass die vorteilhaften Effekte von FGF-2 über die angiogenen Wirkungen hinausgehen könnten. In der Tat könnte FGF-2 durch Beschleunigung der Mobilisierung und Differenzierung der lokalen Stammzellen für die kardiale Reparatur zur Selbstregeneration des Herzens beitragen.

Rosenblatt-Velin N, Lepore MG, Cartoni C, Beermann F, Pedrazzini T. FGF-2 controls the differentiation of resident cardiac precursors into functional cardiomyocytes. J Clin Invest, 2005; 115 (7):1724-1733.
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Die Forschungsarbeit
FGF-2 kontrolliert die Differenzierung von lokalen Herzvorläuferzellen in funktionelle Kardiomyozyten.pdf	77 Kb