Impact of mesenchymal stromal cells on streptozotocin-induced diabetic cardiomyopathy

Abstract

Background: Mesenchymal stromal cells (MSCs) have cardiac regenerative, anti-fibrotic, and anti-inflammatory properties and have been used for the treatment of diabetes mellitus (DM) and experimental diabetic cardiomyopathy with promising results. The impact of CD362+ selected MSCs on experimental diabetic cardiomyopathy has not been studied before. Therefore, this study was aimed to explore the potential impact of CD362+ versus CD362- and wild type (WT) MSCs on diabetic cardiomyopathy in a streptozotocin (STZ)-induced type 1 DM mouse model.

Methods: C57BL/6J mice (Charles River, male, 8-week-old mice) were randomly assigned to control, STZ, STZ WT, STZ CD362- and STZ CD362+ groups. DM was induced via STZ administration (50 mg/kg) for consecutive 5 days. Four weeks after STZ administration, 1x106 bone marrow-derived CD362+, CD362- and WT MSCs were intravenously administered in the three intervention groups. Four weeks after MSCs administration, mice were hemodynamically characterized before sacrifice and organs were harvested for subsequent blood glucose (BG), glycated hemoglobin A1c (HbA1c), immunohistological and gene expression analysis.

Results: Four weeks after MSCs application, none of the MSCs decreased BG or HbA1c levels in STZ mice, nor did they alter the dysregulated LV function. In this model of low-level inflammation with unchanged LV vascular cell adhesion molecule 1, TNF-α, IL-1ß mRNA expression and unaltered CD68, CD4 and CD8 presence, LV TGF-ß, ICAM-1 and S100A9 mRNA expression was increased 1.4-fold (p<0.01 ), 1.4-fold (p<0.05), and 2.6-fold (p<0.05), respectively, whereas cardiac fibrosis was not induced. None of the MSCs decreased the upregulated TGF-ß, ICAM-1 or S100A9 expression. Splenic TGF-ß-expressing CD68 cells were 2.2-fold (p<0.05), higher in STZ versus control mice, which was translated into a 1.5-fold (p<0.05) higher pro-fibrotic potential. WT MSCs and CD362+ cells decreased TGF-ß-expressing CD68 cells by 6.0-fold (p=0.0001) and 4.5-fold (p<0.001), respectively, but none of the MSCs decreased the profibrotic potential of the splenocytes in STZ mice.

Conclusions: In this model of low-level inflammation, no pronounced cardiac fibrosis and compensatory cardiac dysfunction, none of the MSCs decreased BG, HbA1c levels, the profibrotic potential of splenocytes and altered cardiac function, whereas WT MSCs and CD362+ cells reduced the percentage of TGF-ß-expressing CD68 cells.

Hintergrund: Mesenchymale stromale Zellen (MSZ) haben kardial regenerative, antifibrotische und entzündungshemmende Eigenschaften und wurden zur Behandlung des Diabetes Mellitus (DM) und der experimentellen diabetischen Kardiomyopathie mit vielversprechenden Ergebnissen eingesetzt. Jedoch wurde der Einfluss von CD362+- selektierten MSZ bei der experimentellen diabetischen Kardiomyopathie bisher noch nicht untersucht. Ziel dieser Studie war es daher, die potenzielle Wirkung von CD362+- MSZ gegenüber von CD362--MSZ und Wildtyp (WT)-MSZ auf die diabetische Kardiomyopathie, im Modell des Streptozotocin (STZ)-induzierten Typ 1 DM, zu untersuchen. Methoden: C57BL6/J Mäuse (Charles River, männlich, 8 Wochen) wurden randomisiert den Kontroll-, STZ-, STZ WT-, STZ CD362- und STZ CD362+ Gruppen zugeordnet. Durch die Gabe von STZ (50mg/kg) an 5 aufeinanderfolgenden Tagen wurde der DM in den Tieren induziert. Vier Wochen nach der STZ-Applikation wurden jeweils 1x106 Knochenmarks-abgeleitete CD362+-MSZ, CD362--MSZ oder WT-MSZ intravenös in den drei Interventionsgruppen verabreicht. Vier Wochen nach der Intervention wurden die Mäuse einer hämodynamischen Messung unterzogen und anschließend geopfert. Es wurden Blut und Organe zur Bestimmung der Blutglukose (BG) und dem glykosylierten Hämoglobin A1c (HbA1c), sowie für immunhistologische Untersuchungen und Genexpressionsanalysen entnommen. Ergebnisse: Vier Wochen nach MSZ-Applikation waren weder die BG- und die HbA1c- Spiegel, noch die dysregulierte LV-Funktion in den behandelten STZ-Mäusen positiv beeinflusst. Es handelte sich hierbei um ein Modell mit gering ausgeprägter Entzündung, charakterisiert durch eine unveränderte kardiale VCAM-1, TNF-α und IL-1ß Genexpression und einer gleichbleibenden Anzahl an CD68+, CD4+ und CD8+ Zellen im Herzen. Im Gegensatz dazu, waren die TGF-ß, ICAM-1 und S100A9 mRNAExpression um das 1,4-fache (p <0,01), 1,4-fache (p <0,05) bzw. 2,6-fache (p <0,05) im LV erhört, wohingegen keine Myokardfibrose induzierte wurde. Keine der drei MSZTypen verringerte die gesteigerte TGF-ß, ICAM-1 und S100A9 Expression. Des Weiteren, konnte eine 2,2-fach (p <0,05) höhere Anzahl an TGF-ß-exprimierende CD68+ Zellen in der Milz von STZ-Tieren gegenüber den Kontrollmäusen detektiert werden, was mit einem 1,5-fach (p <0,05) höherem profibrotischem Potential assoziiert war. WT-MSZ und CD362+-MSZ verringerten die Zahl an TGF-ß-exprimierende CD68+ Zellen um das 6,0-fache (p=0,0001) bzw. 4,5-fache (p<0,001), was sich jedoch nicht in einer Reduktion des profibrotischem Potentials der Splenozyten aus STZ-Mäusen wiederspiegelte. Schlussfolgerung: In diesem Modell mit gering gradiger Entzündung, keiner ausgeprägten Myokardfibrose und keiner kompensatorischen Herzfunktionsstörung, verringert keiner der applizierten MSZ die BG und HbA1c-Spiegel, das profibrotische Potenzial der Splenozyten oder die Herzfunktion. Jedoch reduzierten WT-MSZ CD362+- MSZ den prozentualen Anteil an TGF-ß-exprimierende CD68+ Zellen in der Milz.