Electrical integration, maturation and proarrhythmic risk of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes after transplantation in infarcted mouse hearts
Anatomy and Physiology
Final Report Abstract
Die kardiale Zellersatztherapie erfährt gegenwärtig aufgrund erheblicher Fortschritte im Forschungsgebiet eine Renaissance. Die Voraussetzungen für eine wirksame und vor allem sichere klinische Anwendung sind eine optimale Persistenz und elektrophysiologische Integration der transplantierten Zellen. Im vorliegenden Projekt wurden die Zellpersistenz, die elektrische Integration und die Arrhythmogenität von aus pluripotenten Stammzellen differenzierten Herzmuskelzellen nach Transplantation in infarzierte Mäuseherzen untersucht. Wir analysierten die Zellpersistenz von iPSKM dreier unterschiedlicher Entwicklungsstadien (an Tag 14, Tag 16 und Tag 18). Dabei konnten wir erstmalig nachweisen, dass das Entwicklungsstadium von iPSKM einen in höchstem Maße relevanten Einfluss auf die Persistenz der Zellen nach Transplantation hat. Tag 14 iPSKM zeigten sowohl die besten Adhäsionseigenschaften an extrazelluläre Matrixproteine in vitro, als auch die größte Zellpersistenz in vivo. Wir fanden dabei keine relevanten elektrophysiologischen Unterschiede verschiedenen Entwicklungsstadien und auch die Qualität der elektrischen Integration der transplantierten Zellen war gleich gut. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass durch die Nutzung des optimalen Entwicklungsstadiums eine deutliche Verbesserung der Zellretention ohne großen technischen Aufwand erreicht werden kann. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von PD Dr. Pfannkuche wurde untersucht, ob die Co-Transplantation von mesenchymalen Stammzellen (MSC) in Clustern die Zellpersistenz im Infarktgebiet erhöht. Zellcluster aus MSC und aus embryonalen Stammzellen gewonnen Kardiomyozyten wurden in gesunde und kryo-infarzierte Mausherzen transplantiert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass diese Form der Co-Transplantation die frühe Kardiomyozytenretention um mehr als das Zehnfache erhöhen kann. Allerdings trat ein deutlicher Zellverlust zwischen Tag 1 und Tag 2 nach Transplantation auf. Zur Beurteilung der Arrhythmogenität und der Empfindlichkeit gegenüber induzierten ventrikulären Arrhythmien nach iPSKM-Transplantation führten wir elektrophysiologische Untersuchungen an den Empfängermäusen durch. Die Untersuchungen wurden zu drei verschiedenen Zeitpunkten (Tag 6-7, Woche 6, Monat 3 nach Transplantation) durchgeführt. Als Kontrolle wurden sham-operierte Tiere (Injektion von NaCl-Lösung) elektrophysiologisch untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ventrikuläre Tachykardien weder häufiger noch seltener auftreten als nach Kochsalz-Injektion, sodass wir in unserem Modell zu der Schlussfolgerung gelangen, dass die Transplantation von iPSKM einen neutralen Effekt auf das Arrhythmierisiko auf Organebene hat. Die elektrische Integration der transplantierten Zellen war gut, es zeigten sich aber noch geringfügige Verzögerungen der Erregungsleitung sowie höchst relevante Unterschiede bei den Aktionspotential-Eigenschaften zwischen transplantierten Zellen und Empfängerzellen, die potenziell proarrhythmisch wirken könnten. Die im Vergleich sehr hohe Herzfrequenz der Maus und der große Unterschied in der Aktionspotentialform schränken die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen jedoch stark ein, sodass für eine klinische Translation weitere Experimente im Großtiermodell erforderlich sein werden.
Publications
- In Vitro Grown Micro-Tissues for Cardiac Cell Replacement Therapy in Vivo. Cell Physiol Biochem. 2019;52(6):1309-1324
Sahito RGA, Sheng X, Maass M, Mikhael N, Hamad S, Heras-Bautista CO, Derichsweiler D, Spitkovsky D, Suhr F, Khalil M, Brockmeier K, Halbach M, Saric T, Hescheler J, Krausgrill B, Pfannkuche K
(See online at https://doi.org/10.33594/000000092) - Persistence of intramyocardially transplanted murine induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from different developmental stages. Stem Cell Res Ther. 2021 Jan 8;12(1):46
Peinkofer G, Maass M, Pfannkuche K, Sachinidis A, Baldus S, Hescheler J, Saric T, Halbach M
(See online at https://doi.org/10.1186/s13287-020-02089-5)
