Hjerteanfald og hjertesvigt er fortsat blandt landets mest fremtrædende sundhedsudfordringer på trods af mange gennembrud inden for hjerte-kar-medicin. På trods af vellykkede metoder til at forebygge eller begrænse hjerte-kar-sygdomme er det faktisk stadig en stor udfordring at genoprette funktionen af det beskadigede hjerte. Nyere forskning giver tidlige beviser for, at voksne og embryonale stamceller kan erstatte beskadigede hjertemuskelceller og etablere nye blodkar til at forsyne dem. Her diskuteres nogle af de seneste opdagelser, der omfatter stamcelleerstatning og muskelregenerationsstrategier til reparation af det beskadigede hjerte.

Indledning

For dem, der lider af almindelige, men dødelige hjertesygdomme, repræsenterer stamcellebiologien en ny medicinsk grænse. Forskere arbejder på at bruge stamceller til at erstatte beskadigede hjerteceller og bogstaveligt talt genoprette hjertefunktionen.

I dag lider 4,8 millioner mennesker i USA af kongestiv hjertesvigt – den ineffektive pumpning af hjertet forårsaget af tab eller dysfunktion af hjertemuskelceller – med 400.000 nye tilfælde hvert år. En af de vigtigste årsager til udviklingen af denne tilstand er et hjerteanfald, medicinsk kendt som et myokardieinfarkt, som forekommer hos næsten 1,1 millioner amerikanere hvert år. Det er let at erkende, at forringelser af hjertet og kredsløbssystemet udgør en væsentlig årsag til død og invaliditet i USA .

Hvad fører til disse ødelæggende virkninger? Ødelæggelsen af hjertemuskelceller, kendt som kardiomyocytter, kan være resultatet af forhøjet blodtryk, kronisk utilstrækkelig blodforsyning til hjertemusklen forårsaget af koronararteriesygdom eller et hjerteanfald, den pludselige lukning af et blodkar, der forsyner hjertet med ilt. Trods fremskridt inden for kirurgiske indgreb, mekaniske hjælpemidler, lægemiddelbehandling og organtransplantation dør over halvdelen af patienterne med kongestiv hjertesvigt inden for fem år efter den første diagnose. Forskning har vist, at behandlinger som f.eks. blodpropopløsende medicin kan genetablere blodgennemstrømningen til de beskadigede områder af hjertet og begrænse døden af kardiomyocytter. Forskere undersøger nu, hvordan man kan redde yderligere liv ved at bruge erstatningsceller for døde eller ødelagte celler, så den svækkede hjertemuskel kan genvinde sin pumpekraft.

Hvordan kan stamceller spille en rolle i reparationen af hjertet? For at besvare dette spørgsmål er forskerne ved at opbygge deres vidensgrundlag om, hvordan stamceller styres til at blive specialiserede celler. En vigtig celletype, der kan udvikles, er kardiomyocytten, som er den hjertemuskelcelle, der trækker sig sammen for at skubbe blodet ud af hjertets vigtigste pumpekammer (ventriklen). To andre celletyper er vigtige for et velfungerende hjerte: den vaskulære endothelcelle, som danner den indre foring af nye blodkar, og den glatte muskelcelle, som danner væggen i blodkarrene. Hjertet har et stort behov for blodgennemstrømning, og disse specialiserede celler er vigtige for at udvikle et nyt netværk af arterier, der kan bringe næringsstoffer og ilt til kardiomyocytterne, efter at hjertet er blevet beskadiget. Den potentielle evne hos både embryonale og voksne stamceller til at udvikle sig til disse celletyper i det beskadigede hjerte undersøges nu som led i en strategi til at genoprette hjertefunktionen hos personer, der har haft et hjerteanfald eller har hjerteinsufficiens. Det er vigtigt, at arbejdet med stamceller ikke forveksles med de seneste rapporter om, at menneskelige hjertemyocytter kan undergå celledeling efter et myokardieinfarkt . Dette arbejde tyder på, at skadede hjerteceller kan skifte fra en hvilende tilstand til aktiv celledeling. Dette adskiller sig ikke fra evnen hos en lang række andre celler i kroppen, som begynder at dele sig efter en skade. Der er stadig ikke noget bevis for, at der findes ægte stamceller i hjertet, som kan formere sig og differentiere sig.

Forskerne ved nu, at stamceller under meget specifikke vækstbetingelser i laboratoriekulturskåle kan overtales til at udvikle sig som nye kardiomyocytter og vaskulære endotelceller. Forskerne er interesserede i at udnytte denne evne til at skaffe erstatningsvæv til det beskadigede hjerte. Denne fremgangsmåde har enorme fordele i forhold til hjertetransplantation, især i lyset af den mangel på donorhjerter, der er til rådighed til at opfylde de nuværende transplantationsbehov.

Hvad er beviserne for, at en sådan fremgangsmåde til genoprettelse af hjertefunktionen kan fungere? I forskningslaboratoriet bruger forskerne ofte en mus- eller rottemodel af et hjerteanfald til at studere nye behandlinger (se figur 9.1. Gnavermodel af myokardieinfarkt). For at skabe et hjerteanfald hos en mus eller rotte anbringes et bånd omkring et større blodkar, der betjener hjertemusklen, hvorved kardiomyocytterne fratages deres ilt- og næringsstofforsyning. I løbet af det seneste år har forskere, der anvender sådanne modeller, gjort flere vigtige opdagelser, som har vakt interesse for anvendelsen af voksne stamceller til reparation af hjertemusklen i dyremodeller af hjertesygdomme.

Figur 9.1. Gnavermodel for myokardieinfarkt.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

For nylig rapporterede Orlic og kolleger om en eksperimentel anvendelse af hæmatopoietiske stamceller til regenerering af vævene i hjertet. I denne undersøgelse blev der fremkaldt et hjerteanfald hos mus ved at afkoble et vigtigt blodkar, den venstre hovedkranspulsåren. Ved hjælp af identifikation af unikke cellulære overflademarkører isolerede forskerne derefter en udvalgt gruppe af voksne primitive knoglemarvsceller med en høj kapacitet til at udvikle sig til celler af flere typer. Når disse celler blev injiceret i den beskadigede væg i hjertekammeret, førte de til dannelse af nye kardiomyocytter, vaskulært endotel og glatte muskelceller, hvorved der blev dannet de novo myokardie, herunder kranspulsårer, arterioler og kapillærer. Det nyligt dannede myokardium fyldte 68 procent af den beskadigede del af ventriklen ni dage efter, at knoglemarvscellerne var blevet transplanteret, og erstattede således det døde myokardium med levende, fungerende væv. Forskerne fandt ud af, at mus, der fik de transplanterede celler, overlevede i større antal end mus med hjerteanfald, som ikke fik musestamcellerne. Der gennemføres nu opfølgningsforsøg for at forlænge analysetiden efter transplantationen for at bestemme virkningerne af en sådan behandling på længere sigt. Den delvise reparation af den beskadigede hjertemuskel tyder på, at de transplanterede hæmatopoietiske stamceller fra musen reagerede på signaler i miljøet i nærheden af det skadede myokardium. Cellerne migrerede til det beskadigede område af hjertekammeret, hvor de formerede sig og blev til “specialiserede” celler, der så ud til at være kardiomyocytter.

En anden undersøgelse, foretaget af Jackson et al. , viste, at hjertevæv kan regenereres i musens hjerteanfaldsmodel ved at indføre voksne stamceller fra musens knoglemarv. I denne model rensede forskerne en “sidepopulation” af hæmatopoietiske stamceller fra en genetisk modificeret musestamme. Disse celler blev derefter transplanteret i marven hos dødbringende bestrålede mus ca. 10 uger før modtagermusene blev udsat for et hjerteanfald ved at afsnøre et andet større blodkar i hjertet, nemlig den venstre forreste nedadgående (LAD) koronararterie. To til fire uger efter den inducerede hjerteskade var overlevelsesraten 26 procent. Ligesom i undersøgelsen af Orlic et al. viste analyse af området omkring det beskadigede væv hos de overlevende mus tilstedeværelsen af donorafledte kardiomyocytter og endothelceller. De hæmatopoietiske stamceller fra musen, der blev transplanteret i knoglemarven, havde således reageret på signaler i det skadede hjerte, migreret til grænseområdet omkring det beskadigede område og differentieret sig til flere vævstyper, der er nødvendige for hjertereparation. Denne undersøgelse tyder på, at hæmatopoietiske stamceller fra mus kan leveres til hjertet gennem knoglemarvstransplantation såvel som gennem direkte injektion i hjertevævet, hvilket giver en anden mulig terapeutisk strategi til regenerering af skadet hjertevæv.

Et andet bevis for potentielle stamcellebaserede behandlinger for hjertesygdomme er en undersøgelse, der viste, at humane voksne stamceller taget fra knoglemarven er i stand til at give anledning til vaskulære endotelceller, når de transplanteres til rotter . Ligesom i Jackson-undersøgelsen fremkaldte disse forskere et hjerteanfald ved at binde LAD-koronararterien af. De var meget omhyggelige med at identificere en population af menneskelige hæmatopoietiske stamceller, som giver anledning til nye blodkar. Disse stamceller udviser plasticitet, hvilket betyder, at de bliver til celletyper, som de normalt ikke ville være. Cellerne blev brugt til at danne nye blodkar i det beskadigede område af rotternes hjerter og til at fremme proliferation af allerede eksisterende blodkar efter det eksperimentelle hjerteanfald.

Som musestamcellerne kan disse humane hæmatopoietiske stamceller under de rette kulturbetingelser induceres til at differentiere sig til adskillige vævstyper, herunder hjertemuskel (se figur 9.2. Reparation af hjertemuskel med voksne stamceller). Når disse celler blev injiceret i blodbanen, der fører til det beskadigede rottehjerte, forhindrede de død af hypertrofierede eller fortykkede, men ellers levedygtige myokardieceller og reducerede den progressive dannelse af kollagenfibre og ar. Kontrolrotter, der blev opereret med en intakt LAD-koronararterie, samt LAD-ligerede rotter, der blev injiceret med saltvand eller kontrolceller, udviste ikke en stigning i antallet af blodkar. Desuden kunne de hæmatopoietiske celler identificeres på grundlag af meget specifikke cellemarkører, der adskiller dem fra kardiomyocytprækursorceller, hvilket gør det muligt at anvende cellerne alene eller i forbindelse med myocytgenopretningsstrategier eller farmakologiske behandlinger. (For mere om stamcellemarkører se bilag E.i. Hvordan bruger forskerne markører til at identificere stamceller?)

Figur 9.2. Reparation af hjertemuskler med voksne stamceller

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Der gøres spændende nye fremskridt inden for regenerering af kardiomyocytter i forskning i menneskelige embryonale stamceller. På grund af deres evne til at differentiere sig til enhver celletype i den voksne krop er embryonale stamceller en anden mulig kildepopulation til celler til hjertereparation. Det første skridt i denne henseende blev taget af Itskovitz-Eldor et al., som påviste, at humane embryonale stamceller reproducerbart kan differentiere sig i kultur til embryoid bodies bestående af celletyper fra kroppens tre embryonale kimlag. Blandt de forskellige celletyper, der blev konstateret, var celler, der havde det fysiske udseende af kardiomyocytter, viste cellulære markører, der var i overensstemmelse med hjerteceller, og udviste kontraktile aktivitet svarende til kardiomyocytter, når de blev observeret i mikroskopet.

I en fortsættelse af dette tidlige arbejde viste Kehat et al. strukturelle og funktionelle egenskaber af kardiomyocytter på et tidligt stadium i de celler, der udvikles fra de embryoide legemer. De celler, der har spontant kontraherende aktivitet, identificeres positivt ved hjælp af markører med antistoffer mod myosin tung kæde, alfa-actinin, desmin, antinaturietisk protein og cardiac troponin – alle proteiner, der findes i hjertevæv. Disse forskere har foretaget en genetisk analyse af disse celler og fundet, at de transkriptionsfaktorgener, der udtrykkes, er i overensstemmelse med kardiomyocytter på et tidligt stadium. Elektriske optagelser fra disse celler, ændringer i calcium-ionernes bevægelse i cellerne og cellernes kontraktile reaktion på stimulering af catecholaminhormoner ligner de optagelser, ændringer og reaktionsevne, der ses i tidlige kardiomyocytter, som observeres under pattedyrs udvikling. Et næste skridt i denne forskning er at se, om de eksperimentelle beviser for forbedring af resultatet af hjerteanfald hos gnavere kan reproduceres ved hjælp af embryonale stamceller.

Disse banebrydende opdagelser i gnaermodeller giver nye muligheder for at bruge stamceller til at reparere beskadiget hjertemuskel. Resultaterne af de ovenfor omtalte undersøgelser er et voksende bevis for, at voksne stamceller kan udvikle sig til flere celletyper end først antaget. I disse undersøgelser ser det ud til, at hæmatopoietiske stamceller ikke kun kan udvikle sig til blod, men også til hjertemuskel- og endothelvæv. Denne evne hos voksne stamceller, der i stigende grad betegnes som “plasticitet”, kan gøre sådanne voksne stamceller til en levedygtig kandidat til hjertereparation. Men dette bevis er ikke fuldstændigt; de hæmatopoietiske stamcellepopulationer i musen, som giver anledning til disse erstatningsceller, er ikke homogene. De er snarere beriget for de celler af interesse gennem specifikke og selektive stimulerende faktorer, der fremmer cellevæksten. Den oprindelige cellepopulation for disse injicerede celler er således ikke blevet identificeret, og der er mulighed for, at der kan indgå andre cellepopulationer, som kan få modtageren til at afvise de transplanterede celler. Dette er et vigtigt problem, der skal løses i kliniske anvendelser, men det er ikke så relevant i de eksperimentelle modeller, der er beskrevet her, fordi gnaverne er blevet opdrættet til at være genetisk ens.

Hvad er konsekvenserne for en udvidelse af forskningen i differentieret vækst af erstatningsvæv til beskadigede hjerter? Der er nogle praktiske aspekter ved at producere et tilstrækkeligt antal celler til klinisk anvendelse. Reparation af et beskadiget menneskehjerte vil sandsynligvis kræve millioner af celler. Embryonale stamcellers unikke evne til at reproducere sig i kultur kan give dem en fordel i forhold til voksne stamceller ved at give et stort antal erstatningsceller i vævskultur til transplantationsformål. På det nuværende videnskabelige stade er det uklart, hvordan voksne stamceller kan anvendes til at generere tilstrækkelig meget hjertemuskel uden for kroppen til at opfylde patienternes behov.

Og selv om der er stor begejstring, fordi forskerne nu ved, at voksne og embryonale stamceller kan reparere beskadiget hjertevæv, er der stadig mange spørgsmål, der skal besvares, før der kan ske kliniske anvendelser. For eksempel, hvor længe vil erstatningscellerne fortsætte med at fungere? Afspejler gnaverforskningsmodellerne nøjagtigt menneskelige hjertetilstande og transplantationsreaktioner? Har disse nye erstatningscardiomyocytter, der stammer fra stamceller, samme elektriske signalledningskapacitet som oprindelige hjertemuskelceller?

Stamceller kan meget vel tjene som grundlag for en fremtidig form for “celleterapi”. I de nuværende dyremodeller påvirker tiden mellem skaden på hjertet og anvendelsen af stamceller den grad af regenerering, og det har reelle konsekvenser for den patient, der bliver hastet uforberedt til skadestuen i kølvandet på et hjerteanfald. Kunne patientens celler i fremtiden høstes og udvides til brug på en effektiv måde? Alternativt kan risikopatienter donere deres celler på forhånd og derved minimere den forberedelse, der er nødvendig for at give cellerne? Kan disse stamceller desuden genetisk “programmeres” til at vandre direkte til skadestedet og til straks at syntetisere de hjerteproteiner, der er nødvendige for regenereringsprocessen? Forskere bruger i øjeblikket stamceller fra alle kilder til at løse disse spørgsmål, hvilket giver en lovende fremtid for terapier til reparation eller erstatning af det beskadigede hjerte og til behandling af de vigtigste dødsårsager i landet.

1. Beltrami, A.P., Urbanek, K., Kajstura, J., Yan, S.M., Finato, N., Bussani, R., Nadal-Ginard, B., Silvestri, F., Leri, A., Beltrami, C.A., og Anversa, P. (2001). Bevis for, at menneskelige hjertemyocytter deler sig efter myokardieinfarkt. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H., og Benvenisty, N. (2000). Differentiering af humane embryonale stamceller til embryoid bodies, der omfatter de tre embryonale kimlag. Mol. Med. 6, 88-95.
3. Jackson, K.A., Majka, S.M., Wang, H., Pocius, J., Hartley, C.J., Majesky, M.W., Entman, M.L., Michael, L.H., Hirschi, K.K., og Goodell, M.A. (2001). Regeneration af iskæmisk hjertemuskel og vaskulært endothel ved hjælp af voksne stamceller. J. Clin. Invest. 107, 1-8.
4. Kehat, I., Kenyagin-Karsenti, D., Druckmann, M., Segev, H., Amit, M., Gepstein, A., Livne, E., Binah, O., Itskovitz-Eldor, J., og Gepstein, L. (2001). Humane embryonale stamceller kan differentiere sig til myocytter, der har kardiomyocytære strukturelle og funktionelle egenskaber. J. Clin. Invest. (under tryk)
5. Kessler, P.D. og Byrne, B.J. (1999). Myoblastcelletransplantation i hjertemusklen: cellebiologi og potentielle anvendelser. Annu. Rev. Physiol. 61, 219-242.
6. Kocher, A.A., Schuster, M.D., Szabolcs, M.J., Takuma, S., Burkhoff, D., Wang, J., Homma, S., Edwards, N.M., og Itescu, S. (2001). Neovaskularisering af iskæmisk myokard ved hjælp af menneskelige angioblaster fra knoglemarv forhindrer apoptose af kardiomyocytter, reducerer remodellering og forbedrer hjertefunktionen. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., personlig kommunikation.
8. Orlic, D., personlig kommunikation.
9. Orlic, D., Kajstura, J., Chimenti, S., Jakoniuk, I., Anderson, S.M., Li, B., Pickel, J., McKay, R., Nadal-Ginard, B., Bodine, D.M., Leri, A., og Anversa, P. (2001). Knoglemarvsceller regenererer infarktramte myokardier. Nature. 410, 701-705.
10. Pittenger, M.F., Mackay, A.M., Beck, S.C., Jaiswal, R.K., Douglas, R., Mosca, J.D., Moorman, M.A., Simonetti, D.W., Craig, S., og Marshak, D.R. (1999). Multilineage-potentiale hos voksne menneskelige mesenkymale stamceller. Science. 284, 143-147.

Kapitel 8 | Indholdsfortegnelse | Kapitel 10

Historisk indhold: 17. juni 2001