Extrazelluläre Vesikel aus Stammzellen der Amnionflüssigkeit als neue Strategie zur Prävention der pulmonalen Hypertonie in Folge von kongenitalen Zwerchfellhernien
Kinder- und Jugendmedizin
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fetale Lungenhypoplasie ist eine schwerwiegende Erkrankung, die infolge kongenitaler Anomalien wie der kongenitalen Zwerchfellhernie (CDH) oder Oligohydramnion auftritt. Sie ist mit einer hohen Morbidität und Mortalität verbunden, hauptsächlich aufgrund postnataler pulmonaler Hypertension und unzureichender Lungenentwicklung. Da die Diagnose meist in utero gestellt wird, bietet dieser frühe Zeitpunkt ein entscheidendes Zeitfenster für die potenzielle pränatale Intervention zur Förderung des normalen Lungenwachstums. Ein vielversprechender neuer Therapieansatz zur Behandlung der fetalen Lungenhypoplasie sind extrazelluläre Vesikel (EVs), die aus Stammzellen des Fruchtwassers (AFSC) gewonnen werden können. EVs sind kleine Partikel, die von einer Doppellipid Membranschicht umgeben sind. Sie werden von allen Zellen zur parakrinen Signalübertragung sezerniert und beinhalten bioaktive Moleküle (z.B. RNA, DNA, Proteine). Werden sie aus AFSC isoliert, sind sie besonders angereichert mit Mikro-RNAs (miRs), die bekannte Regulatoren in der fetalen Lungenentwicklung sind. In experimentellen CDH-Modellen konnte bisher gezeigt werden, dass die pränatale Verabreichung von AFSC-EVs wesentliche Merkmale der Lungenhypoplasie verbessert, darunter das Wachstum der Lunge, sowie die Reifung von epithelialen und mesenchymalen Zellen. In den letzten drei Jahren haben wir nun das regenerative Potenzial von AFSC-EVs bei fetaler Lungenhypoplasie intensiv untersucht. Dabei haben wir insbesondere: 1) ihre regenerativen Mechanismen in CDH-Lungen, 2) ihre Wirkung auf das vaskuläre Remodeling in CDH Lungen, 3) ihre Effekte auf die postnatale Lungenfunktion in CDH Ratten-Föten sowie 4) ihr Potenzial bei Lungenhypoplasien infolge von Oligohydramnion analysiert. Wir konnten erstmals eine inflammatorische Reaktion aller Zelllinien mit Makrophagenanreicherung in experimentellen und humanen CDH Lungen nachweisen. Interessanterweise reduzierte die pränatale Gabe von AFSC-EVs in einem CDH Rattenmodell diese Entzündungsreaktion, vermutlich durch die Freisetzung von miR-9, miR-125 und miR-128. Darüber hinaus identifizierten wir long non-coding RNAs (lncRNAs), wie TUG1, im EV-Cargo, die zur vaskulären Regeneration beitragen könnten. Die Behandlung mit AFSC-EVs stellte die Lungengefäßarchitektur wieder her und erhöhte die Expression angiogener Marker im CDH Ratten- als auch im CDH Mausmodell. Neben molekularen und strukturellen Verbesserungen zeigte sich auch eine verbesserte postnatale Lungenfunktion in Ratten, die pränatal mit AFSC-EV behandelt worden (compliance, resistance, elastance, tissue damping). Abschließend untersuchten wir, ob sich die regenerativen Effekte von AFSC-EVs auch in anderen Modellen der Lungenhypoplasie reproduzieren lassen. Erstaunlicherweise förderte die pränatale AFSC-EV Gabe auch das Lungenwachstum in einem Oligohydramnion Rattenmodell, vermutlich durch die Freisetzung von miR-93-5p und die Modulation des TGF-β-Signalwegs. Zusammenfassend bieten AFSC-EVs eine vielversprechende Therapieoption, um die fetale Lungenhypoplasie zu behandeln. Anstatt einen einzelnen Mechanismus zu adressieren, entfalten AFSC-EVs ihre regenerative Wirkungen durch das Freisetzen vieler bioaktiver Substanzen. Diese Erkenntnisse bilden nun die Grundlage für Studien in einem CDH Großtiermodell, bevor der Einsatz von AFSC-EVs in klinischen Studien geprüft wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterization of the congenital diaphragmatic hernia model in C57BL/6J fetal mice: a step toward lineage tracing experiments. Pediatric Surgery International, 39(1).
Doktor, Fabian; Figueira, Rebeca Lopes; Khalaj, Kasra; Ijaz, Aizah; Lacher, Martin; Blundell, Matisse; Antounians, Lina & Zani, Augusto
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Fetal lung vascular development is disrupted by mechanical compression and rescued by administration of amniotic fluid stem cell extracellular vesicles via regulation of the Hippo signaling pathway. openRxiv.
Figueira, Rebeca L.; Khalaj, Kasra; Antounians, Lina; Doktor, Fabian; Gaffi, Maria Sole; Obed, Mikal; Gandhi, Sree & Zani, Augusto
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Antenatal Administration of Extracellular Vesicles Derived From Amniotic Fluid Stem Cells Improves Lung Function in Neonatal Rats With Congenital Diaphragmatic Hernia. Journal of Pediatric Surgery, 59(9), 1771-1777.
Figueira, Rebeca L.; Khoshgoo, Naghmeh; Doktor, Fabian; Khalaj, Kasra; Islam, Tasneem; Moheimani, Nazgol; Blundell, Matisse; Antounians, Lina; Post, Martin & Zani, Augusto
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Cellular origins and translational approaches to congenital diaphragmatic hernia. Seminars in Pediatric Surgery, 33(4), 151444.
Jank, Marietta; Doktor, Fabian; Zani, Augusto & Keijzer, Richard
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Fetal hypoplastic lungs have multilineage inflammation that is reversed by amniotic fluid stem cell extracellular vesicle treatment. Science Advances, 10(30).
Antounians, Lina; Figueira, Rebeca Lopes; Kukreja, Bharti; Litvack, Michael L.; Zani-Ruttenstock, Elke; Khalaj, Kasra; Montalva, Louise; Doktor, Fabian; Obed, Mikal; Blundell, Matisse; Wu, Taiyi; Chan, Cadia; Wagner, Richard; Lacher, Martin; Wilson, Michael D.; Post, Martin; Kalish, Brian T. & Zani, Augusto
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Sex-specific differences in the severity of pulmonary hypoplasia in experimental congenital diaphragmatic hernia and implications for extracellular vesicle-based therapy. Pediatric Surgery International, 40(1).
Doktor, Fabian; Lo, Emily; Fortuna, Victoria; Khalaj, Kasra; Garcia, Miguel; Figueira, Rebeca Lopes; Lacher, Martin; Antounians, Lina & Zani, Augusto
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Amniotic fluid stem cell extracellular vesicles as a novel fetal therapy for pulmonary hypoplasia: a review on mechanisms and translational potential. Stem Cells Translational Medicine, 14(1).
Doktor, Fabian; Antounians, Lina; Figueira, Rebeca Lopes; Khalaj, Kasra; Duci, Miriam & Zani, Augusto
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Amniotic fluid stem cell extracellular vesicles promote lung development via TGF-beta modulation in a fetal rat model of oligohydramnios. Journal of Controlled Release, 377, 427-441.
Doktor, Fabian; Figueira, Rebeca Lopes; Fortuna, Victoria; Biouss, George; Stasiewicz, Kaya; Obed, Mikal; Khalaj, Kasra; Antounians, Lina & Zani, Augusto
