Heart attacks and congestive heart failure remain among the Nation’s most prominent health challenges despite many doorbraken in cardiovascular medicine. Ondanks succesvolle benaderingen om hart- en vaatziekten te voorkomen of te beperken, blijft het herstel van de functie van het beschadigde hart een formidabele uitdaging. Recent onderzoek levert het eerste bewijs dat volwassen en embryonale stamcellen in staat zijn beschadigde hartspiercellen te vervangen en nieuwe bloedvaten aan te leggen voor de toevoer ervan. Hier worden enkele van de recente ontdekkingen besproken die stamcelvervanging en spierregeneratiestrategieën voor het herstel van het beschadigde hart bevatten.

Inleiding

Voor mensen die lijden aan veel voorkomende, maar dodelijke, hartziekten, vertegenwoordigt stamcelbiologie een nieuwe medische grens. Onderzoekers werken aan het gebruik van stamcellen om beschadigde hartcellen te vervangen en letterlijk de hartfunctie te herstellen.

Tegenwoordige in de Verenigde Staten, congestief hartfalen – het ineffectief pompen van het hart veroorzaakt door het verlies of disfunctioneren van hartspiercellen – treft 4,8 miljoen mensen, met 400.000 nieuwe gevallen per jaar. Een van de belangrijkste oorzaken van het ontstaan van deze aandoening is een hartaanval, ook wel myocardinfarct genoemd, die elk jaar bij bijna 1,1 miljoen Amerikanen optreedt. Het is gemakkelijk te erkennen dat aantastingen van het hart en de bloedsomloop een belangrijke oorzaak van overlijden en invaliditeit in de Verenigde Staten vormen .

Wat leidt tot deze verwoestende effecten? De vernietiging van hartspiercellen, bekend als cardiomyocyten, kan het gevolg zijn van hypertensie, chronische insufficiëntie in de bloedtoevoer naar de hartspier veroorzaakt door coronaire hartziekte, of een hartaanval, de plotselinge afsluiting van een bloedvat dat zuurstof aan het hart levert. Ondanks de vooruitgang op het gebied van chirurgische ingrepen, mechanische hulpmiddelen, geneesmiddelen en orgaantransplantatie, overlijdt meer dan de helft van de patiënten met congestief hartfalen binnen vijf jaar na de eerste diagnose. Onderzoek heeft aangetoond dat therapieën zoals bloedstollingsremmende medicijnen de bloedstroom naar de beschadigde delen van het hart kunnen herstellen en het afsterven van cardiomyocyten kunnen beperken. Onderzoekers onderzoeken nu manieren om nog meer levens te redden door vervangende cellen te gebruiken voor dode of beschadigde cellen, zodat de verzwakte hartspier zijn pompkracht kan terugkrijgen.

Hoe zouden stamcellen een rol kunnen spelen bij het herstel van het hart? Om deze vraag te beantwoorden, bouwen onderzoekers hun kennisbasis op over hoe stamcellen worden geleid om gespecialiseerde cellen te worden. Een belangrijk celtype dat kan worden ontwikkeld is de cardiomyocyt, de hartspiercel die samentrekt om het bloed uit de belangrijkste pompkamer van het hart (de hartkamer) te stuwen. Twee andere celtypes zijn belangrijk voor een goed functionerend hart: de vasculaire endotheelcel, die de binnenbekleding van nieuwe bloedvaten vormt, en de gladde spiercel, die de wand van bloedvaten vormt. Het hart heeft een grote behoefte aan bloeddoorstroming, en deze gespecialiseerde cellen zijn belangrijk voor de ontwikkeling van een nieuw netwerk van slagaders om voedingsstoffen en zuurstof naar de cardiomyocyten te brengen nadat een hart beschadigd is geraakt. Het potentiële vermogen van zowel embryonale als volwassen stamcellen om zich te ontwikkelen tot deze celtypes in het beschadigde hart wordt nu onderzocht als onderdeel van een strategie om de hartfunctie te herstellen bij mensen die een hartinfarct of congestief hartfalen hebben gehad. Het is belangrijk dat het werk met stamcellen niet wordt verward met recente rapporten dat menselijke hartmyocyten celdeling kunnen ondergaan na een myocardinfarct. Dit werk suggereert dat beschadigde hartcellen vanuit een rustige toestand kunnen overgaan tot actieve celdeling. Dit verschilt niet van het vermogen van een groot aantal andere cellen in het lichaam om zich na verwonding te gaan delen. Er is nog steeds geen bewijs dat er echte stamcellen in het hart zijn die kunnen prolifereren en differentiëren.

Onderzoekers weten nu dat onder zeer specifieke groeiomstandigheden in laboratoriumkweekschalen stamcellen kunnen worden overgehaald om zich te ontwikkelen tot nieuwe cardiomyocyten en vasculaire endotheelcellen. Wetenschappers zijn geïnteresseerd in het benutten van dit vermogen om vervangend weefsel voor het beschadigde hart te leveren. Deze benadering heeft enorme voordelen ten opzichte van harttransplantatie, vooral in het licht van de schaarste aan beschikbare donorharten om aan de huidige transplantatiebehoeften te voldoen.

Wat is het bewijs dat een dergelijke benadering van het herstellen van de hartfunctie zou kunnen werken? In het onderzoekslaboratorium gebruiken onderzoekers vaak een muis- of rattenmodel van een hartaanval om nieuwe therapieën te bestuderen (zie figuur 9.1. Knaagdiermodel van myocardinfarct). Om een hartaanval in een muis of rat te creëren, wordt een ligatuur rond een belangrijk bloedvat voor de hartspier geplaatst, waardoor de cardiomyocyten van hun toevoer van zuurstof en voedingsstoffen worden beroofd. In het afgelopen jaar hebben onderzoekers die dergelijke modellen gebruiken, verschillende belangrijke ontdekkingen gedaan die de belangstelling hebben gewekt voor de toepassing van volwassen stamcellen voor het herstel van de hartspier in diermodellen voor hartziekten.

Figuur 9.1. Knaagdiermodel van myocardinfarct.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Recentelijk rapporteerden Orlic en collega’s over een experimentele toepassing van hematopoietische stamcellen voor de regeneratie van de weefsels in het hart. In deze studie werd bij muizen een hartaanval opgewekt door het afsnijden van een belangrijk bloedvat, de linker hoofdkransslagader. Door de identificatie van unieke markers op het celoppervlak isoleerden de onderzoekers vervolgens een selecte groep van volwassen primitieve beenmergcellen met een groot vermogen om zich te ontwikkelen tot cellen van meerdere types. Wanneer deze cellen in de beschadigde wand van de hartkamer werden geïnjecteerd, leidden ze tot de vorming van nieuwe cardiomyocyten, vasculair endotheel en gladde spiercellen, waardoor de novo myocardium werd gegenereerd, inclusief kransslagaders, arteriolen en haarvaten. Het nieuw gevormde myocard besloeg 68% van het beschadigde deel van de hartkamer, negen dagen nadat de beenmergcellen waren getransplanteerd, waardoor het dode myocard in feite werd vervangen door levend, functionerend weefsel. De onderzoekers stelden vast dat muizen die de getransplanteerde cellen hadden gekregen, in grotere aantallen overleefden dan muizen met een hartaanval die de muizenstamcellen niet hadden gekregen. Er worden nu vervolgexperimenten uitgevoerd om de analysetijd na de transplantatie te verlengen om de effecten van een dergelijke therapie op langere termijn te bepalen. Het gedeeltelijke herstel van de beschadigde hartspier suggereert dat de getransplanteerde hematopoietische stamcellen van de muis reageerden op signalen in de omgeving van het beschadigde myocard. De cellen migreerden naar het beschadigde gebied van de hartkamer, waar zij zich vermenigvuldigden en “gespecialiseerde” cellen werden die cardiomyocyten bleken te zijn.

Een tweede studie, door Jackson e.a. , toonde aan dat hartweefsel kan worden geregenereerd in het hartaanvalmodel van de muis door de introductie van volwassen stamcellen uit het beenmerg van de muis. In dit model zuiverden de onderzoekers een “nevenpopulatie” van hematopoietische stamcellen uit een genetisch gewijzigde muizenstam. Deze cellen werden vervolgens getransplanteerd in het merg van dodelijk bestraalde muizen, ongeveer 10 weken voordat de ontvangende muizen een hartaanval kregen door het afsnijden van een ander belangrijk bloedvat in het hart, de linker anterior descending (LAD) kransslagader. Twee tot vier weken na het geïnduceerde hartletsel bedroeg het overlevingspercentage 26%. Net als bij de studie van Orlic e.a. toonde analyse van het gebied rond het beschadigde weefsel in de overlevende muizen de aanwezigheid aan van donoren afkomstige cardiomyocyten en endotheelcellen. De hematopoietische stamcellen van de muis, getransplanteerd in het beenmerg, hadden dus gereageerd op signalen in het beschadigde hart, waren gemigreerd naar het grensgebied van het beschadigde gebied, en gedifferentieerd in verschillende soorten weefsel die nodig zijn voor het herstel van het hart. Deze studie suggereert dat hematopoietische stamcellen van muizen zowel door beenmergtransplantatie als door directe injectie in het hartweefsel aan het hart kunnen worden geleverd, waardoor een andere mogelijke therapeutische strategie voor het regenereren van gewond hartweefsel wordt geboden.

Meer bewijs voor potentiële op stamcellen gebaseerde therapieën voor hartziekten wordt geleverd door een studie die aantoonde dat menselijke volwassen stamcellen uit het beenmerg in staat zijn om aanleiding te geven tot vasculaire endotheelcellen wanneer ze in ratten worden getransplanteerd. Net als in de Jackson-studie hebben deze onderzoekers een hartaanval opgewekt door de LAD-kransslagader af te binden. Zij besteedden veel aandacht aan de identificatie van een populatie menselijke hematopoietische stamcellen die nieuwe bloedvaten doen ontstaan. Deze stamcellen vertonen plasticiteit, wat betekent dat zij celtypes kunnen worden die zij normaal niet zouden zijn. De cellen werden gebruikt om nieuwe bloedvaten te vormen in het beschadigde gebied van het hart van de ratten en om de proliferatie van reeds bestaande bloedvaten na het experimentele hartinfarct te stimuleren.

Zoals de muisstamcellen kunnen deze menselijke hematopoietische stamcellen onder de juiste kweekomstandigheden worden geïnduceerd om te differentiëren in talrijke weefseltypes, waaronder hartspier (zie figuur 9.2. Herstel van hartspier met volwassen stamcellen). Wanneer deze cellen in de bloedbaan naar het beschadigde rattenhart werden geïnjecteerd, voorkwamen zij het afsterven van hypertrofische of verdikte maar verder levensvatbare hartspiercellen en verminderden zij de progressieve vorming van collageenvezels en littekens. Controleratten die een operatie ondergingen met een intacte LAD kransslagader, evenals LAD-ligated ratten geïnjecteerd met zoutoplossing of controle cellen, vertoonden geen toename in het aantal bloedvaten. Bovendien konden de hematopoietische cellen worden geïdentificeerd op basis van zeer specifieke celmerkers die hen onderscheiden van cardiomyocyte voorlopercellen, waardoor de cellen alleen of in combinatie met myocyte-regeneratiestrategieën of farmacologische therapieën kunnen worden gebruikt. (Voor meer informatie over stamcelmerkers, zie bijlage E.i.: Hoe gebruiken onderzoekers merkers om stamcellen te identificeren?)

Figuur 9.2. Heart Muscle Repair with Adult Stem Cells

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Exciting new advances in cardiomyocyte regeneration are being made in human embryonic stem cell research. Vanwege hun vermogen om te differentiëren in elk celtype in het volwassen lichaam, zijn embryonale stamcellen een andere mogelijke bronpopulatie voor hartherstellende cellen. De eerste stap in deze toepassing werd gezet door Itskovitz-Eldor et al. die aantoonden dat menselijke embryonale stamcellen zich in cultuur reproduceerbaar kunnen differentiëren tot embryoïdale lichaampjes die bestaan uit celtypes van de drie embryonale kiemlagen van het lichaam. Onder de verschillende celtypen waren cellen die er fysiek uitzagen als cardiomyocyten, cellulaire markers vertoonden die overeenkwamen met hartcellen, en contractiele activiteit vertoonden die vergelijkbaar was met cardiomyocyten wanneer ze onder de microscoop werden geobserveerd.

In een voortzetting van dit vroege werk, toonden Kehat et al. structurele en functionele eigenschappen van cardiomyocyten in een vroeg stadium in de cellen die zich ontwikkelen uit de embryoïde lichamen. De cellen die spontaan samentrekken worden positief geïdentificeerd door gebruik te maken van merkers met antilichamen tegen myosine zware keten, alpha-actinine, desmin, antinaturietisch eiwit, en cardiaal troponine-alle eiwitten die in hartweefsel worden aangetroffen. Deze onderzoekers hebben deze cellen genetisch geanalyseerd en vastgesteld dat de tot expressie gebrachte transcriptiefactorgenen overeenkomen met cardiomyocyten in een vroeg stadium. Elektrische opnamen van deze cellen, veranderingen in de calciumionenbeweging in de cellen, en de contractiele respons op stimulatie met catecholaminehormonen door de cellen waren vergelijkbaar met de opnamen, veranderingen en respons van vroege cardiomyocyten die tijdens de ontwikkeling van zoogdieren werden waargenomen. Een volgende stap in dit onderzoek is om te zien of het experimentele bewijs van verbetering van de uitkomst van een hartaanval bij knaagdieren kan worden gereproduceerd met behulp van embryonale stamcellen.

Deze baanbrekende ontdekkingen in knaagdiermodellen bieden nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van stamcellen om beschadigde hartspier te herstellen. De resultaten van de hierboven besproken studies vormen een groeiend bewijs dat volwassen stamcellen zich kunnen ontwikkelen tot meer celtypen dan eerst werd gedacht. In deze studies blijken hematopoietische stamcellen zich niet alleen te kunnen ontwikkelen tot bloed, maar ook tot hartspier- en endotheelweefsel. Dit vermogen van volwassen stamcellen, dat steeds vaker “plasticiteit” wordt genoemd, kan van dergelijke volwassen stamcellen een levensvatbare kandidaat voor hartherstel maken. Maar dit bewijs is niet volledig; de hematopoietische stamcelpopulaties in muizen die aanleiding geven tot deze vervangingscellen zijn niet homogeen. Integendeel, zij worden verrijkt voor de cellen van belang door middel van specifieke en selectieve stimulerende factoren die de celgroei bevorderen. De oorspronkelijke celpopulatie voor deze geïnjecteerde cellen is dus niet geïdentificeerd, en de mogelijkheid bestaat dat er andere celpopulaties in worden opgenomen die ertoe kunnen leiden dat de ontvanger de getransplanteerde cellen afstoot. Dit is een belangrijk probleem bij klinische toepassingen, maar het is niet zo relevant bij de hier beschreven experimentele modellen, omdat de knaagdieren zijn gefokt om genetisch vergelijkbaar te zijn.

Wat zijn de implicaties voor de uitbreiding van het onderzoek naar gedifferentieerde groei van vervangingsweefsels voor beschadigde harten? Er zijn enkele praktische aspecten verbonden aan het produceren van een voldoende aantal cellen voor klinische toepassing. Voor de reparatie van één beschadigd menselijk hart zouden waarschijnlijk miljoenen cellen nodig zijn. Het unieke vermogen van embryonale stamcellen om zich in kweek te vermenigvuldigen kan hen in het voordeel stellen ten opzichte van volwassen stamcellen door grote aantallen vervangende cellen in weefselkweek te leveren voor transplantatiedoeleinden. Gezien de huidige stand van de wetenschap is het onduidelijk hoe volwassen stamcellen zouden kunnen worden gebruikt om voldoende hartspier buiten het lichaam te genereren om aan de vraag van patiënten te voldoen .

Hoewel er veel opwinding is omdat onderzoekers nu weten dat volwassen en embryonale stamcellen beschadigd hartweefsel kunnen herstellen, moeten er nog veel vragen worden beantwoord voordat klinische toepassingen kunnen worden gemaakt. Bijvoorbeeld, hoe lang zullen de vervangende cellen blijven functioneren? Zijn de onderzoeksmodellen voor knaagdieren een nauwkeurige afspiegeling van de menselijke hartaandoeningen en transplantatiereacties? Hebben deze nieuwe vervangende cardiomyocyten, afkomstig van stamcellen, de elektrisch-signaal-voerende capaciteiten van inheemse hartspiercellen?

Stamcellen zouden wel eens kunnen dienen als de basis waarop een toekomstige vorm van “cellulaire therapie” wordt gebouwd. In de huidige diermodellen beïnvloedt de tijd tussen het letsel aan het hart en de toepassing van stamcellen de mate waarin regeneratie plaatsvindt, en dit heeft reële implicaties voor de patiënt die na een hartaanval onvoorbereid naar de eerste hulp wordt gebracht. Kunnen in de toekomst de cellen van de patiënt worden geoogst en op efficiënte wijze worden geëxpandeerd voor gebruik? Of kunnen risicopatiënten hun cellen van tevoren doneren, zodat de voorbereidingen voor het toedienen van de cellen tot een minimum beperkt blijven? Kunnen deze stamcellen bovendien genetisch worden “geprogrammeerd” om rechtstreeks naar de plaats van het letsel te migreren en onmiddellijk de hartproteïnen te synthetiseren die nodig zijn voor het regeneratieproces? Onderzoekers maken momenteel gebruik van stamcellen uit alle bronnen om deze vragen te beantwoorden en zo een veelbelovende toekomst te bieden voor therapieën om het beschadigde hart te herstellen of te vervangen en de belangrijkste doodsoorzaken van het land aan te pakken.

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., and Anversa, P. (2001). Bewijs dat menselijke hartmyocyten zich delen na myocardinfarct. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H., and Benvenisty, N. (2000). Differentiatie van menselijke embryonale stamcellen in embryoïde lichamen die de drie embryonale kiemlagen omvatten. 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., and Goodell, M.A. (2001). Regeneratie van ischemische hartspier en vasculair endotheel door adulte stamcellen. 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., and Gepstein, L. (2001). Menselijke embryonale stamcellen kunnen differentiëren tot myocyten met cardiomyocytaire structurele en functionele eigenschappen. J. Clin. Invest. (in press)
5. Kessler, P.D. and Byrne, B.J. (1999). Myoblast celtransplantatie in hartspier: cellulaire biologie en potentiële toepassingen. 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., and Itescu, S. (2001). Neovascularisatie van ischemisch myocard door van beenmerg afgeleide angioblasten voorkomt apoptose van cardiomyocyten, vermindert remodellering en verbetert de hartfunctie. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., persoonlijke mededeling.
8. Orlic, D., persoonlijke mededeling.
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., and Anversa, P. (2001). Beenmergcellen regenereren geïnfarcteerd myocardium. 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., and Marshak, D.R. (1999). Multilineage potentieel van volwassen menselijke mesenchymale stamcellen. Science. 284, 143-147.

Hoofdstuk 8 | Inhoudsopgave | Hoofdstuk 10

Historische inhoud: 17 juni 2001