Human placenta derived cells for myocardial cell therapy

Abstract

Introduction: Autologous adult stem cells used for cellular therapy of ischemic heart disease have yielded modest results, partly because patient age and disease state affect the functionality of the transplanted cells. Neonatal donor cells may represent an attractive alternative for use in cardiac cell therapy, and the hypothesis that such cell products exert beneficial effects in a mouse model of ischemic heart disease was tested. In addition, the impact of heart failure-related humoral factors on neonatal progenitor cell behavior was studied to assess whether they would be affected by transplantation into a diseased recipient. Methods: Naïve amnion epithelial cells (AEC) and AEC induced to undergo epithelial-mesenchymal-transition induced (EMT-AEC) were evaluated in vitro for gene and protein expression profile, migration potential, cytokine secretion profile and gelatinase activity. The cardioprotective potential of AEC, EMT-AEC and clinical-grade placenta derived stromal cells (PLX-PAD) was evaluated in a mouse model of myocardial infarction. After four weeks cardiac function was evaluated by cardiac MRI, echocardiography and cardiac structure by histology and immunohistochemistry. To study the behavior of neonatal cells exposed to human heart failure (HF)-associated soluble factors, cord blood mesenchymal stromal cells (CB-MSC) were cultured in medium supplemented with HF serum instead of fetal bovine serum and analyzed for changes in growth kinetics, activation of stress signaling pathways and stimulation of apoptosis. Results: Transplantation of naïve AEC resulted in neither functional improvements nor a decrease in infarct size compared to infarcted control hearts. EMT-AEC displayed an MSC- like phenotype, enhanced migratory potential and extracellular matrix modulatory potential and upregulation of survival factors compared to AEC, in vitro. In vivo, transplantation of EMT-AEC resulted not only in functional improvements but also in decreased infarct size, independent of the support of angiogenesis and arteriogenesis. Transplantation of equivalent MSC-like clinical grade PLX-PAD cells also led to improved contractile function, decreased infarct size and aided in angiogenesis. However, HF patient serum depressed the proliferation kinetics of neonatal MSC and also activated stress signaling and pro-apoptotic signaling pathways. Conclusion: Progenitor cells from neonatal tissue sources exert cardioprotective effects in a mouse model of myocardial infarction, provided they display mesenchymal characteristics. Upon future transplantation in patients with heart failure, depression of neonatal progenitor cell function must be expected.

Hintergrund: Die Verwendung autologer adulter Stammzellen für die Zelltherapie ischämischer Herzerkrankungen ergab bisher nur mäßige Funktionsverbesserungen, unter anderem weil Spenderalter und Krankheitszustand die Funktionalität der transplantierten Zellen beeinträchtigen. Neonatale Spenderzellen, unbeeinflusst von Alterungs- und Krankheitsprozessen, könnten eine interessante Alternative darstellen. Es wurde daher untersucht, ob neonatale Zellen positive Effekte in einem Mausmodell der ischämischen Herzerkrankung ausüben und ob humorale Faktoren im Serum von Patienten mit Herzinsuffizienz das Verhalten neonataler Vorläuferzellen beeinflussen. Methode: Native Amnionepithelzellen (AEC) und AEC, welche zur epithelial-mesenchymalen Transition angeregt wurden (EMT-AEC), wurden in vitro auf ihr Gen- und Proteinexpressionsprofil, Migrationspotential, Zytokin-Sekretionsprofil und ihre Gelatinase-Aktivität hin getestet. Das kardioprotektive Potential von AEC, EMT-AEC und klinisch verwendbaren mesenchymalen Stromazellen der Plazenta (PLX-PAD) wurde in einem Mausmodell für Myokardinfarkt untersucht. Nach vier Wochen wurde die Herzfunktion durch kardiale MRT und Echokardiographie gemessen, und die kardiale Struktur durch Histologie und Immunohistochemie evaluiert. Darüber hinaus wurden mesenchymale Stromazellen aus Nabelschnurblut (CB-MSC) unter Verwendung von Serum von Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz anstelle von fötalem Kälberserum kultiviert und auf veränderte Wachstumskinetik, Aktivierung von Stress-Signalwegen und Apoptose- Stimulierung hin untersucht. Ergebnis: Transplantation von nativen AEC hatte gegenüber Kontroll-Herzen mit Infarkt weder funktionelle Verbesserungen noch eine verkleinerte Infarktgröße zur Folge. EMT-AEC zeigten einen MSC-ähnlichen Phänotyp, erhöhtes Migrationspotential, erhöhtes Modulierungspotential der extrazellulären Matrix und Hochregulation von Überlebensfaktoren im Vergleich zu AEC in vitro. In vivo führte Transplantation von EMT-AEC nicht nur zu funktionellen Verbesserungen, sondern auch zu einer reduzierten Infarktgröße, unabhängig von der Unterstützung der Angiogenese und Arteriogenese. Transplantation von äquivalenten, MSC-ähnlichen, klinisch verwendbaren PLX- PAD-Zellen führte auch zu einer verbesserten kontraktilen Funktion, einer reduzierten Infarktgröße und unterstützte die Angiogenese. HF-Patientenserum reduzierte jedoch die Proliferationskinetiken von neonatalen MSC und aktivierte auch Stress- und proapoptotische Signalwege. Fazit: Vorläuferzellen aus neonatalem Gewebe zeigen kardioprotektive Effekte in einem Mausmodell für Herzinfarkt, unter der Voraussetzung dass sie mesenchymale Charakteristiken aufweisen. Bei zukünftiger Transplantation in Patienten mit Herzinsuffizienz muss jedoch eine Unterdrückung der Funktion neonataler Vorläuferzellen durch Serumfaktoren erwartet werden.