IPS-Zell-basierte myokardiale Regeneration im Mausmodell
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Organismus ist nicht im Stande, verloren gegangenes Herzmuskelgeweb (Myokard) nach einem Herzinfarkt eigenständig zu regenerieren. Ziel des Projektes war es, auf der Basis der IPS-Zell-Technologie die Bedingungen für eine Regeneration von infarziertem Myokard zu optimieren. Zahlreiche Beiträge zu diesem Thema waren von der Arbeitsgruppe bereits geleistet worden. Dabei hatte sich gezeigt, dass es nach der üblicherweise bei derartigen Versuchen durchgeführten direkten Injektion von Zellsuspensionen in wässriger Lösung in das Myokard zu erheblichen Zellverlusten kommt. Bis dato war davon ausgegangen worden, dass Zellen vor allem durch den Stichkanal im Myokard oder einen frühen Zelltod verloren gehen. Für eine konsequente Verbesserung der Stammzelltherapie kardialer Pathologien war es notwendig, diese Mechanismen konkreter zu untersuchen und ihre Bedingungen zu verbessern. In einer schrittweisen Analyse wurde zunächst der Verbleib (die sog. Biodistribution) von fluoreszierenden Zellsurrogaten (zellgroßen, fluoreszierenden Plastikpartikeln, sog. Fluorospheres) im Myokard untersucht. Es zeigte sich, dass der Verlust durch einen Abstrom der Partikel über Niederdruckgefäße in den rechten Vorhof und anschließend in die Lungen zustandekommt. Dieser Mechanismus ließ sich erstmals optisch darstellen und mittels makroskopischem Fluoreszenzimaging einfach und effektiv quantifizieren. Die Ergebnisse wurden erfolgreich auf IPS-Zellen und humane Knochenmarkstammzellen übertragen. Mit Hilfe des viskösen Trägers Fibrinogen – einem Bestandteil der Gerinnungskaskade – konnte der Verlust nach Injektion deutlich verringert werden. Zudem zeigten in vitro-Untersuchungen, dass nicht polymerisiertes Fibrinogen gegenüber polymerisiertem Fibrin besser zur Erhaltung der Vitalität der Zellen geeignet ist. Die Injektion von IPS-Zellen in einer Biomatrix aus Fibrinogen führte im Tiermodell zu größeren kardialen Grafts nach Stammzelltransplantation und zu einer Verbesserung der linksventrikulären Funktion nach Myokardinfarkt aufgrund einer geometrischen Stabilisation der Ventrikelwand. Über multimodale Markierungstechniken ließen sich die Zellen sowohl im Biolumineszen-Imaging als auch in der MRT lokalisieren. In parallelen Arbeiten wurden mit Hilfe genetischer Verfahren IPS-Zellen derart verändert, dass es unter dem Selektionsdruck eines Antibiotikums in der Zellkultur zur ausschließlichen Differenzierung von IPS-Zellen in reife Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) kommt. Auf Basis muriner IPS-Zellen konnten auf diese Weise große Mengen hochreiner, reifer Kardiomyozyten (mIPS-CMs) in Form von sphärischen Zellkonglomeraten (sog. ‚cardiac bodies‘) generiert werden. Diese wurden im Infarktmodell der Maus in infarziertes Myokard injiziert. Die Zellen bildeten reife Spenderzellinseln im Empfängerherzen aus, die eine klassische Herzmuskel-Morphologie entwickelten. Obwohl eine elektrische Koppelung der Spender- und Empfänger-Herzzellen nicht nachgewiesen werden konnte, ließ sich die Herzfunktion nach Infarkt durch die Transplantation der Kardiomyoyzten signifikant verbessern. Das Modell erwies sich damit als vielversprechender Ansatz für die zukünftige Entwicklung der kardialen Stammzelltherapie. Perspektivisch müssen die Applikationstechniken in der kardialen Stammzelltherapie weiter verbessert werden, um den Verbleib der Zellen und deren Vitalität im Myokard zu sichern. Zusätzlich zu der – wie in diesem Projekt erfolgreich gezeigten – Nutzung einer viskösen Biomatrix kommen dazu Techniken des ex vivo Tissue engineerings in Frage. Neben einem Vollersatz von infarziertem Myokard durch vaskularisierte, kontraktile Patches erscheinen Zwischenlösungen mit multiplen, kleinen Myokardimplantaten vielversprechend. Die IPS-Zell-Technologie erweist sich für diese Ansätze zunehmend als die geeignetste Methode zur ex vivo-Herstellung von ausreichenden Zellmengen mit definierter Zellfunktion. Zudem verspricht diese Technik die Möglichkeit eines autologisierten Zellersatzes aus körpereigenen Zellen von Patienten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Fibrinogen als Biomatrix zur kardialen Transplantation von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) – Eine systematische Untersuchung zur Biodistribution von iPS-Zellen nach 2 Transplantation im Ischämiemodell der Maus [Promotionspreis 2013 der Medizinischen Hochschule Hannover]
Sebastian Rojas Hernandez
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Macroscopic Fluorescence Imaging: A Novel Technique to Monitor Retention and Distribution of Injected Microspheres in an Experimental Model of Ischemic Heart Failure. PLoS One 2014; 9(8):e101775
Martens A, Rojas SV, Baraki H, Rathert C, Schecker N, Hernandez SR, Schwanke K, Zweigerdt R, Martin U, Saito S, Haverich A, Kutschka I
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Substantial early loss of induced pluripotent stem cells following transplantation in myocardial infarction. Artif Organs 2014; 38(11):978-84
Martens A, Rojas SV, Baraki H, Rathert C, Schecker N, Zweigerdt R, Schwanke K, Rojas-Hernandez S, Martin U, Saito S, Schmitto JD, Haverich A, Kutschka I
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Transplantation effectiveness of induced pluripotent stem cells is improved by a fibrinogen biomatrix in an experimental model of ischemic heart failure. Tissue Eng Part A 2015; 21(13-14):1991-2000
Rojas SV, Martens A, Zweigerdt R, Baraki H, Rathert C, Schecker N, Rojas- Hernandez S, Schwanke K, Martin U, Haverich A, Kutschka I
