Einfluß von Rapamycin auf die Akkumulation glattmuskulärer Progenitorzellen in der Neointima

Abstract

Der mTOR-Inhibitor Rapamycin ist die derzeit wohl vielversprechendste Substanz im klinischen Einsatz zur Hemmung der Restenose nach Ballonangioplastie. Mechanistisch konnten vorausgegangene Arbeiten zeigen, dass Rapamycin effektiv die Proliferation und Migration ortsständiger glatter Gefäßmuskelzellen hemmt.Jüngere Untersuchungen zeigen jedoch, dass sich die zellulären Bestandteile der entstehenden Neointima nicht nur aus den ortsständigen glatten Gefäßmuskelzellen der Media, sondern zur Hälfte auch aus zirkulierenden Zellen aus dem Blutstrom rekrutieren. Bisher war jedoch nicht bekannt, ob Rapamycin auch einen Einfluss auf die Adhäsion, Akkumulation und Differenzierung zirkulierender Progenitorzellen hat und so über eine verminderte Akkumulation dieser Zellen zur Hemmung der Neointimabildung beiträgt. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen nun, dass Rapamycin effektiv die Akkumulation zikulierender Zellen im entstehenden Neointimagewebe nach Gefäßverletzung hemmt. Dies betrifft sowohl die Akkumulation von inflammatorischen Zellen (Monozyten) als auch von Progenitorzellen die im Verlauf der Neointimaentstehung zu glatten Gefäßmuskelzellen oder Endothelzellen differenzieren. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass dem Homing von Monozyten und Progenitorzellen teilweise redundante Mechanismen zugrunde liegen, da die Adhäsion von CD34+ Progenitorzellen wie auch von Monozyten von dem Adhäsionsmolekül ICAM-1 abhängig zu sein scheint. Interessanterweise hemmt Rapamycin die ICAM-1 Expression, was eine mechanistische Erklärung für die verringerte Akkumulation von zirkulierenden Zellen darstellen könnte. Neben einer verringerten Adhäsion führt Rapamycin jedoch auch zu einer Reduktion der Zahl zirkulierender endothelialer Progenitorzellen (EPC) und einer verminderten migratorischen Kapazität von EPCs. Da die Re-Endothelialisierung nach Ballonangioplastie zum Großteil von der Rekrutierung zirkulierender endothelialer Progenitorzellen abhängt, liefern die vorgelegten Ergebnisse auch erstmals eine rationale Erklärung für die klinisch beobachtete verlangsamte Re-Endothelialisierung und dadurch erhöhte Thrombosierungsgefahr nach Implantation von Rapamycin-freisetzenden Stents. Die Ergebnisse zeigen somit eine ambivalente Rolle des Rapamycins auf, welches einerseits über eine verringerte Akkumulation von zirkulierenden Zellen zur Hemmung der Neointimaentstehung beiträgt, andererseits durch eine verzögerte Re-Endothelialisierung die Gefahr von In-Stent Thrombosen erhöht. Wie die jüngsten klinischen Studien belegen, scheinen jedoch unter einer gleichzeitigen effektiven und langfristigen Antikoagulation mit Thrombozytenaggregations-Hemmern die positiven Effekte (Hemmung der Restenose) zu überwiegen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse belegen somit erstmals den Effekt der in der klinischen Anwendung befindlichen Substanz Rapamycin auf die Funktion und Akkumulation vaskulärer Progenitorzellen nach Gefäßverletzung im Rahmen einer Angioplastie. Die Ergebnisse tragen grundlegend zum Verständnis der bisherigen klinischen Beobachtungen nach Implantation von Rapamycin-freisetzenden Stents bei und können helfen zukünftig effektivere und sicherere therapeutische Strategien zur Hemmung vaskuloproliferativer Erkrankungen zu entwickeln. Background: Bone marrow-derived progenitor cells may contribute to the pathogenesis of vascular proliferative diseases and rapamycin (RPM) has been identified as one of the most promising novel agents for prevention of coronary artery in-stent restenosis. We therefore evaluated the role of RPM on accumulation of bone marrow-derived vascular smooth muscle cells (VSMC), inflammatory cells and neointima formation in a mouse model of femoral artery injury. Methods and Results: Following lethal irradiation (11Gy), bone marrow of"green fluorescent protein" (GFP) transgenic mice was transplanted intobackground-identical C57/BL6 mice. 6 weeks after bone marrowtransplantation left femoral artery dilatation was performed. RPM treatment(3mg/kg/day i.p.) resulted in a significant reduction in neointimal thickening at28 days compared to saline injected controls (intima/media ratio: 0.31+-0.15vs. 1.01+-0.27, P<0.01). RPM significantly reduced the recruitment ofcirculating, bone marrow-derived (GFP positive) cells to the neointima incomparison to saline-controls (7.4+-7.4 vs 26.2+-13.4% of neointimal cells,n=6, P=0.01) as quantified by laser scanning microscopy. The relative numberof bone marrow-derived VSMC (GFP pos. cells expressing alpha-smooth muscleactin) within the neointima and media was significantly reduced in the RPMgroup (7.9+-8.0 vs. 30.9+-14.4 , P<0.01). As well, RPM significantlyprevented neointimal accumulation of monocytes/macrophages (1.6+-2.2 vs.11.6+-5.3%, P<0.01). RPM also prevented the expression of the adhesionmolecules ICAM and VCAM 14 days after injury. In further in vitro studies,ICAM but not VCAM blocking antibodies significantly prevented adhesion ofCD34+ cells to TNFa stimulated HUVECs (55+-8% vs. 83+-17% of control;P<0.05). Conclusion: Our findings establish a novel mechanism by which RPM affectsneointima formation. Beside attenuating the local inflammatory response,RPM prevents the accumulation and differentiation of putative progenitor cellsinto VSMC, either known to significantly contribute to the development ofvascular proliferative diseases.