Mechanismen der Transdifferenzierung endothelialer Progenitorzellen in glatte Gefäßmuskelzellen

Abstract

Mit wachsendem Interesse werden Stammzellen in klinischen Studien bei derTherapie von vaskuloproliferativen Erkrankungen eingesetzt. Sie ist derzeit einevielversprechende, innovative Therapiemöglichkeit nach akutem Myokardinfarkt undBallonangioplastie, aber auch bei anderen kardiovaskulären Erkrankungen. DiePatienten zeigten nach Stammzelltherapie mit aus dem Knochenmark stammendenStammzellen eine deutlich verbesserte linksventrikuläre Funktion, welches zum einenmit einer verbesserten Neoangiogenese35, 45, zum anderen mit der Differenzierung vonEPC in Kardiomyozyten28 begründet wird. Weitere jüngere Studien zeigen, dassendotheliale Progenitorzellen, die eine kleine Population von Vorläuferzellen inperipherem Blut darstellen, durch verbesserte Reendothelialisierung eine Restenosenach Ballonangioplastie verringern50. Jüngere Studien zeigten jedoch auch, dass ausdem Knochenmark stammende Stammzellen nicht nur einen positiven EffektGefäßwände hat, sondern auch zum pathologischen Remodeling der Gefäßwändebeitragen kann19. Bisher ist das Differenzierungspotential von endothelialenProgenitorzellen noch nicht genau bekannt. Wir stellten uns die Frage, ob endothelialeProgenitorzellen das Potential besitzen, sich in glatte Muskelzellen zu differenzierenund so eventuell zu einer Restenose, oder aber zu einer Stabilisierung und Ausreifungvon Gefäßen beitragen können. Neben dem Differenzierungspotential der EPC warenfür uns die molekularen Mechanismen der Transdifferenzierung endothelialerProgenitorzellen in glatte Muskelzellen von Interesse.Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen nun, dass endotheliale Progenitorzellen in derLage sind, sich in glatte Muskelzellen zu differenzieren. Unsere Arbeit zeigte dabeieine komplette Ausdifferenzierug der EPC in VSMC. Die Ergebnisse belegen, dassder Zell-Zellkontakt eine essentielle Vorraussetzung für die Transdifferenzierung derEPC darstellt. Trotz der offensichtlich für die Transdifferenzierung der EPC in VSMCessentiellen interzellulären Kontakte kann die Transdifferenzierung durch die vonVSMC sezernierten, solublen Faktoren noch gesteigert werden. Unsere Ergebnissezeigen weiterhin, dass es nur in einem sehr geringen Prozentsatz zu einer Fusion vonEPC und VSMC kommt, welche und in der Folge eine phenotypische Differenzierungder EPC in VSMC bewirkt.Welche genaue Rolle das in dieser Arbeit gezeigte Potential der Transdifferenzierungendothelialer Progenitorzellen in der Entstehung beziehungsweise der Präventionkardiovasklärer Erkrankungen spielt, ist noch nicht abzuschätzen. Zum einen kann dieStammzelltherapie mit endothelialen Progenitorzellen durch verbesserteReendothelialisierung und Angiogenese zur Myokardregeneration beitragen, zumanderen ist es möglich, dass sie durch verstärkte Neointimabildung zur Progressionvaskuloproliferativer Erkrankungen führt. Zukünftige in vivo Untersuchungen sinddaher notwendig um die Bedeutung der hier beschriebenen Untersuchungsergebnisserichtig zu verstehen und einordnen zu können.Die hier vogestellte Arbeit soll daher eine Grundlage bieten, um den Nutzen künftigerklinischer Anwendungen zu optimieren und gleichzeitig potentielle Risikenausschließen zu können. Background: Endothelial progenitor cells (EPC) significantly contribute to vesselregeneration, and clinical application of EPC emerges as therapeutic option to restoreblood supply to ischemic tissue. However, further transdifferentiation of EPC intoother lineages may modulate the beneficial or adverse effects of cell therapy. Wetherefore sought to determine the potential of EPC to transdifferentiate into vascularsmooth muscle cells (VSMC) and their impact on neointimal lesion formation.Methods and Results: EPCs were obtained from peripheral blood mononuclear cellsby cultivation with endothelial cell medium and growth factors. After 3 days, morethan 95% of adherent cells show endothelial characteristics, as demonstrated by DilacetylatedLDL uptake, lectin binding and the expression of VEGFR2, vonWillebrand factor and VE-Cadherin. EPC were then co-cultivated with freshlyisolated rat VSMC for 7 days. Co-cultivated EPC increased in size and developed asmooth muscle cell like phenotype. After 6 days of co-culture, 16.7 ± 3.8% of EPCsexpressed alpha smooth muscle actin as determined by FACS analysis.Transdifferentiated EPC also expressed calponin and smooth muscle myosin heavychain. Furthermore, VSMC specific mRNA expression (calponin and h-caldesmon)was detected in co-cultured EPCs using human-specific primers. Importantly, theangiotensin II-induced contractile response of co-cultured EPC was similar to VSMC,indicating functional activity. Transdifferentiation of EPC into VSMC was notdetected in EPC cultured in conditioned medium, suggesting an essential role of cellcellcontacts. As determined by co-cultivation with GFP-expressing VSMC,phenotypical changes are due to transdifferentiation rather than fusion.Conclusion: As demonstrated by morphological, histochemical and functionalparameters, adult human EPC can transdifferentiate into functionally active smoothmuscle cells in vitro and in vivo. Transdifferentiation of EPC to VSMC may improvevessel maturation during vasculogenesis or plaque stabilisation but may alsocontribute to vascular lesion formation.