Hematopoietic Stem / Progenitor Cells and placental vascular development : in vitro study on the role of oxygen and stromal-derived factor-1alpha in the establishment of a stem cell niche

Abstract

A functional placenta is an absolute requirement for normal embryonic, fetal and post-natal development.During the first trimester of pregnancy,trophoblast expands rapidly, invades the uterine wall and contributes toplacental formation. Development of the vascular bed facilitates theabsorptive, excretory and respiratory functions of the human placenta.Multiple cell types are present at sites of placental vascular development,including hematopoietic stem cells, endothelial cells, trophoblast and placental stromal fibroblasts. Polarographic measurements made in utero have provided precise information regarding local oxygen tensions (pO2) at the feto-maternal interface during various stages of development. Using these values as a guide, a novel protocol is described that allows simulation of in utero oxygen environments with real-time monitoring of oxygen levels. Theimpact of oxygen on hematopoietic stem/progenitor cell (HSPC) proliferation, cell cycle status, apoptosis and differentiation was investigated. We demonstrate that the low oxygen environment of the developing placenta may help maintain the HSPC stem cell phenotype, while simultaneously inducing the differentiation of monocytes. Locally derived factors also have effects on HSPC in the placental microenvironment. The chemokine SDF-1a/CXCL12 is commonly found in low oxygen environments and is known to effect CXCR4-expressing hematopoietic cells. Results from this investigation indicate that SDF-1a is expressed in chorionic villi throughout gestation. Furthermore, isolated villous stroma-enriched cell fractions secreted SDF-1a in vitro. HSPC expression of CXCR4 increased during coculture with placental cells in low oxygen. Interactions of placental-derived SDF-1a with CXCR4 effects HSPC migration, transendothelial migration and adhesion of HSPC. Results indicate the involvement of SDF-1a in attracting CXCR4-expressing HSPC to areas of placental vascular development. Eine physiologische Entwicklung des Gefäßsystems der Plazenta unddessen uneingeschränkte Funktion erlauben einen adäquaten Gasaustauschsowie den Transport von Nährstoffen zwischen der Mutter und dem Fetus undsind somit für eine normale embryonale Entwicklung von entscheidenderBedeutung. In der sich entwickelnden humanen Plazenta ist ein geringerSauerstoffpartialdruck physiologisch und für eine korrekte Entwicklung diesesOrgans von massgeblicher Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Studie konnte erstmalig ein Modellentwickelt werden, was die Simulation dieser sauerstoffarmen Umgebung inder Plazenta und die Messung von in vitro herrschendenSauerstoffpartialdrücken ermöglicht. Mit seiner Hilfe wurde der Einfluss derSauerstoffkonzentration auf die Etablierung der plazentaren Nische für fetaleStammzellen (HSPC) untersucht. Insbesondere wurde die Proliferation,Erhaltung ihres Stammzellphänotyps und Induktion ihrer Differenzierungangesehen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die niedrige O2Konzentration die Proliferation von HSPC hemmt, zum Anstieg von G0/G1Zahl führt und die Induktion von monozytären Markern verursacht. In der reduzierten O2-Atmosphäre der frühen Plazenta wird zusätzlicheine Vielzahl von Wachstumsfaktoren, Hormonen und Chemokinenproduziert, die in hämatopoetischen sowie in vaskulo- und angiogenetischenVorgängen eine wichtige Rolle spielen. Im hier etablierten Modell wurde dieWirkung des Chemokins SDF-1a, das von plazentaren Stromazellenproduziert wird, auf CXCR4 (Rezeptor für SDF1) positive HSPC hinsichtlichMigration, transendotheliale Migration und Adhäsion in der plazentarenNische untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das durch die plazentareStromazellen produzierte SDF-1a sowohl die Migration und dietransendotheliale Migration als auch die Adhäsion von HPSC stimuliert. ImGegensatz dazu führte die Zugabe von entsprechenden neutralisierendenSubstanzen (AMD3100) zur einer signifikanten Reduktion der zellulärenAdhäsion und Mobilität. Ein wichtiges Ziel für weitere Untersuchungen sollte es sein, diegenauen Mechanismen, die der Plazentabildung und Entstehung desweitverzweigten plazentaren Gefässbaumes zugrundeliegen, aufzudecken.Denn nur durch das Verständnis der physiologischen Plazentaentwicklung istes möglich, die krankhaften Veränderungen dieses Organes zu verstehen.