Analyse der Signaltransduktionskaskade glattmuskulärer Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen

Abstract

Die gemeinsame Endstrecke von Gefäßschädigungen, seien sie mechanischer, metabolischer oder entzündlicher Natur, ist die progrediente Einengung des Gefäßlumens durch Zellen, die glatten Gefäßmuskelzellen ähneln und die sogenannte Neointima bilden. In einer immer älter werdenden Gesellschaft mit einer hohen Morbidität und Mortalität aufgrund von kardiovaskulären Erkrankungen, die mit einer Neointimabildung einhergehen, gewinnen neue Strategien zur Verhinderung dieser Neointimabildung in der medizinischen Forschung mehr und mehr an Bedeutung. Das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen insbesondere der Differenzierungs- und Dedifferenzierungsvorgänge der beteiligten Zellen ist hierfür von größter Wichtigkeit. In der aktuellen Forschung gibt es Belege dafür, dass an der Neointimabildung zum Beispiel im Rahmen der Arteriosklerose, der Restenose nach Koronarangioplastie oder der Transplantatvaskulopathie nicht nur, wie früher angenommen wurde, lokale glatte Gefäßmuskelzellen aus der Media beteiligt sind, sondern auch zirkulierende Vorläuferzellen wie mesenchymale Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark hierzu in unterschiedlichem Ausmaß beitragen können. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, das glattmuskuläre Differenzierungspotenzial humaner, adulter MSC aus dem Knochenmark zu charakterisieren und die hierbei beteiligten Signaltransduktionswege aufzudecken. Es wurde anhand von Immunfluoreszenz- und Western-blot- Untersuchungen gezeigt, dass humane MSC unter in vitro-Bedingungen zu einem hohen Prozentsatz einen kontraktilen Phänotyp annehmen können, der glatten Gefäßmuskelzellen gleicht. Dies ist eine Grundvoraussetzung für eine Beteiligung von MSC an der Neointimabildung nach Gefäßschädigungen. Signaltransduktionsanalysen ergaben, dass für die Differenzierung von MSC in glatte Gefäßmuskelzellen dem PI3K/Akt/mTOR-Signalweg eine zentrale Rolle zukommt. Weitere Experimente mit dem PI3K-Inhibitor LY294002 und dem mTOR- Inhibitor Rapamycin bestätigten die Beeinflussbarkeit der glattmuskulären Differenzierung von MSC durch Modulation des PI3K/Akt/mTOR- Signaltransduktionsweges. Die hier dargestellten Erkenntnisse können als Ausgangspunkt für pharmakologische Interventionen genutzt werden, die darauf abzielen, pathologische Gefäßumbauprozesse durch zirkulierende MSC zu verhindern und stattdessen diese Zellen als endogene Regeneratoren von geschädigten Gefäßen einzusetzen.

Vascular damage results in progredient loss of lumen, because of neointima formation consisting of smooth muscle-like cells. In an older becoming society with a high morbidity and mortality because of vascular diseases associated with neointima formation, the underlying processes become more and more interesting in modern medical research. Therefore the basic molecular mechanisms of differentiation and dedifferentiation processes are of immense importance. In current medical investigation, there are evidence that not only local smooth muscle cells from the media, but also circulating cells from bone marrow, like mesenchymal stem cells (MSC) contribute to neointima formation, for instance in restenosis at coronary angioplasty or transplant vasculopathy. The object of interest in the present study was the characterization of smooth muscle-like differentiation potential of adult mesenchymal stem cells from human bone marrow and the detection of involved pathways. Using immunofluorescence and western blot analysis we showed that human mesenchymal stem cells can switch under in vitro-conditions to a smooth muscle-like phenotype. This is one basic condition for the involvement of MSC in neointima formation after vascular lesions. Further investigation in signal transducing processes showed the central role of the PI3K/PDK/Akt/mTOR/p70S6K-pathway for differentiation of MSC in smooth muscle cells, illustrated by experiments with the PI3K-inhibitor LY294002 and the mTOR-inhibitor rapamycin. The shown results may build a starting point for pharmacologically interventions to prevent vascular damage caused by circulating mesenchymal stem cells.