Hjärtanfall och hjärtsvikt är fortfarande en av landets mest framträdande hälsoproblem trots många genombrott inom hjärt- och kärlmedicinen. Trots framgångsrika metoder för att förebygga eller begränsa kardiovaskulära sjukdomar är det fortfarande en enorm utmaning att återställa funktionen hos det skadade hjärtat. Ny forskning ger tidiga bevis för att vuxna och embryonala stamceller kan ersätta skadade hjärtmuskelceller och skapa nya blodkärl för att försörja dem. Här diskuteras några av de senaste upptäckterna med strategier för stamcellsersättning och muskelregenerering för att reparera det skadade hjärtat.

Introduktion

För dem som lider av vanliga men dödliga hjärtsjukdomar utgör stamcellsbiologin en ny medicinsk gräns. Forskare arbetar för att använda stamceller för att ersätta skadade hjärtceller och bokstavligen återställa hjärtfunktionen.

I dag drabbas 4,8 miljoner människor i USA av hjärtsvikt – hjärtats ineffektiva pumpning som orsakas av förlust eller dysfunktion av hjärtmuskelceller – och 400 000 nya fall inträffar varje år. En av de viktigaste orsakerna till utvecklingen av detta tillstånd är en hjärtattack, medicinskt kallad hjärtinfarkt, som drabbar nästan 1,1 miljoner amerikaner varje år. Det är lätt att inse att funktionsnedsättningar i hjärtat och cirkulationssystemet utgör en viktig orsak till dödsfall och funktionshinder i USA .

Vad leder till dessa förödande effekter? Förstörelsen av hjärtmuskelceller, så kallade kardiomyocyter, kan vara resultatet av högt blodtryck, kronisk otillräcklig blodtillförsel till hjärtmuskeln orsakad av kranskärlssjukdom, eller en hjärtattack, den plötsliga stängningen av ett blodkärl som förser hjärtat med syre. Trots framsteg inom kirurgiska ingrepp, mekaniska hjälpmedel, läkemedelsbehandling och organtransplantation dör mer än hälften av patienterna med hjärtsvikt inom fem år efter den första diagnosen. Forskning har visat att terapier som t.ex. blodproppslösande läkemedel kan återupprätta blodflödet till de skadade områdena i hjärtat och begränsa dödandet av kardiomyocyter. Forskare undersöker nu hur man kan rädda ytterligare liv genom att använda ersättningsceller för döda eller skadade celler så att den försvagade hjärtmuskeln kan återfå sin pumpkraft.

Hur kan stamceller spela en roll för att reparera hjärtat? För att besvara denna fråga bygger forskarna upp sin kunskapsbas om hur stamceller styrs till att bli specialiserade celler. En viktig celltyp som kan utvecklas är kardiomyocyten, den hjärtmuskelcell som drar ihop sig för att kasta ut blodet ur hjärtats huvudsakliga pumpkammare (ventrikeln). Två andra celltyper som är viktiga för ett väl fungerande hjärta är den vaskulära endotelcellen, som bildar den inre beklädnaden av nya blodkärl, och den glatta muskelcellen, som bildar väggen i blodkärlen. Hjärtat har ett stort behov av blodflöde, och dessa specialiserade celler är viktiga för att utveckla ett nytt nätverk av artärer för att föra näringsämnen och syre till kardiomyocyterna efter att ett hjärta har skadats. Den potentiella förmågan hos både embryonala och vuxna stamceller att utvecklas till dessa celltyper i det skadade hjärtat undersöks nu som en del av en strategi för att återställa hjärtfunktionen hos personer som har haft hjärtinfarkt eller har hjärtsvikt. Det är viktigt att arbetet med stamceller inte förväxlas med de senaste rapporterna om att mänskliga hjärtmuskelceller kan genomgå celldelning efter hjärtinfarkt . Detta arbete tyder på att skadade hjärtceller kan övergå från ett lugnt tillstånd till aktiv celldelning. Detta skiljer sig inte från förmågan hos en mängd andra celler i kroppen som börjar dela sig efter en skada. Det finns fortfarande inga bevis för att det finns verkliga stamceller i hjärtat som kan föröka sig och differentiera sig.

Forskare vet nu att under mycket specifika tillväxtförhållanden i laboratoriekulturskålar kan stamceller övertalas att utvecklas till nya kardiomyocyter och vaskulära endotelceller. Forskarna är intresserade av att utnyttja denna förmåga för att tillhandahålla ersättningsvävnad för det skadade hjärtat. Detta tillvägagångssätt har enorma fördelar jämfört med hjärttransplantation, särskilt med tanke på den brist på donatorhjärtan som finns tillgängliga för att tillgodose de nuvarande transplantationsbehoven.

Vad finns det för belägg för att ett sådant tillvägagångssätt för att återställa hjärtfunktionen skulle kunna fungera? I forskningslaboratoriet använder forskarna ofta en mus- eller råttmodell av en hjärtinfarkt för att studera nya behandlingar (se figur 9.1. Gnagarmodell för hjärtinfarkt). För att skapa en hjärtinfarkt hos en mus eller råtta placeras en ligatur runt ett större blodkärl som betjänar hjärtmuskeln, vilket innebär att kardiomyocyterna berövas sin syre- och näringstillförsel. Under det senaste året har forskare som använder sådana modeller gjort flera viktiga upptäckter som har väckt intresset för att använda vuxna stamceller för att reparera hjärtmuskeln i djurmodeller för hjärtsjukdomar.

Figur 9.1. Gnagarmodell för hjärtinfarkt.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Nyligen rapporterade Orlic och kollegor om en experimentell tillämpning av hematopoietiska stamceller för regenerering av vävnader i hjärtat. I denna studie framkallades en hjärtattack hos möss genom att ett viktigt blodkärl, vänster huvudkranskärl, bands av. Genom identifiering av unika cellulära ytmarkörer isolerade forskarna sedan en utvald grupp av vuxna primitiva benmärgsceller med hög kapacitet att utvecklas till celler av flera olika typer. När dessa celler injicerades i den skadade väggen i ventrikeln ledde de till att nya kardiomyocyter, vaskulärt endotel och glatta muskelceller bildades, vilket gav upphov till ett de novo myokardium, inklusive kranskärl, arterioler och kapillärer. Det nybildade myokardiet upptog 68 procent av den skadade delen av ventrikeln nio dagar efter det att benmärgscellerna transplanterades, vilket i praktiken ersatte det döda myokardiet med levande, fungerande vävnad. Forskarna fann att möss som fick de transplanterade cellerna överlevde i större utsträckning än möss med hjärtinfarkt som inte fick musstamcellerna. Uppföljningsexperiment genomförs nu för att förlänga analystiden efter transplantationen för att fastställa effekterna på längre sikt av en sådan behandling . Den partiella reparationen av den skadade hjärtmuskeln tyder på att de transplanterade hematopoetiska stamcellerna från musen reagerade på signaler i miljön nära den skadade hjärtmuskeln. Cellerna vandrade till det skadade området i kammaren, där de förökade sig och blev “specialiserade” celler som verkade vara kardiomyocyter.

En andra studie, av Jackson et al. , visade att hjärtvävnad kan regenereras i mushjärtinfarktmodellen genom införande av vuxna stamceller från musens benmärg. I denna modell renade forskarna en “sidopopulation” av hematopoetiska stamceller från en genetiskt förändrad musstam. Dessa celler transplanterades sedan till märgen hos dödligt bestrålade möss cirka 10 veckor innan mottagarmössen utsattes för en hjärtattack genom att ett annat större blodkärl i hjärtat, vänster främre nedåtgående (LAD) kranskärl, bands av. Två till fyra veckor efter den inducerade hjärtskadan var överlevnaden 26 procent. Liksom i studien av Orlic et al. visade analysen av området kring den skadade vävnaden hos de överlevande mössen att det fanns kardiomyocyter och endotelceller som härstammade från givaren. De hematopoetiska stamceller från musen som transplanterats till benmärgen hade alltså reagerat på signaler i det skadade hjärtat, migrerat till gränsområdet för det skadade området och differentierats till flera vävnadstyper som behövs för att reparera hjärtat. Denna studie tyder på att hematopoietiska stamceller från möss kan levereras till hjärtat genom benmärgstransplantation såväl som genom direkt injektion i hjärtvävnaden, vilket ger ytterligare en möjlig terapeutisk strategi för att regenerera skadad hjärtvävnad.

Förstärkta bevis för potentiella stamcellsbaserade terapier för hjärtsjukdomar ges av en studie som visade att mänskliga vuxna stamceller tagna från benmärgen kan ge upphov till vaskulära endotelceller när de transplanteras till råttor . Precis som i Jackson-studien framkallade forskarna en hjärtattack genom att binda av kranskärlet LAD. De var noga med att identifiera en population av mänskliga hematopoietiska stamceller som ger upphov till nya blodkärl. Dessa stamceller uppvisar plasticitet, vilket innebär att de blir celltyper som de normalt sett inte skulle vara. Cellerna användes för att bilda nya blodkärl i det skadade området i råttornas hjärtan och för att uppmuntra proliferation av redan befintliga blodkärl efter den experimentella hjärtinfarkten.

Likt stamcellerna från musen kan dessa mänskliga hematopoetiska stamceller under lämpliga odlingsbetingelser induceras att differentiera sig till ett stort antal vävnadstyper, inklusive hjärtmuskel (se figur 9.2. Reparation av hjärtmuskel med vuxna stamceller). När dessa celler injicerades i det blodomlopp som leder till det skadade råtthjärtat förhindrade de att hypertrofierade eller förtjockade men i övrigt livskraftiga hjärtmuskelceller dog och minskade den progressiva bildningen av kollagenfibrer och ärr. Kontrollråttor som genomgick operation med en intakt LAD-koronarartär, liksom LAD-ligerade råttor som injicerades med saltlösning eller kontrollceller, uppvisade ingen ökning av antalet blodkärl. Dessutom kunde de hematopoietiska cellerna identifieras på grundval av mycket specifika cellmarkörer som skiljer dem från kardiomyocytprekursorceller, vilket gör det möjligt att använda cellerna ensamma eller tillsammans med myocytregenerationsstrategier eller farmakologiska terapier. (För mer information om stamcellsmarkörer se bilaga E.i. Hur använder forskare markörer för att identifiera stamceller?)

Figur 9.2. Hjärtmuskelreparation med vuxna stamceller

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Ett spännande nytt framsteg inom regenerering av kardiomyocyter görs inom forskningen om mänskliga embryonala stamceller. På grund av deras förmåga att differentiera till alla celltyper i den vuxna kroppen är embryonala stamceller en annan möjlig källpopulation för hjärtreparationsceller. Det första steget i denna tillämpning togs av Itskovitz-Eldor et al. som visade att mänskliga embryonala stamceller på ett reproducerbart sätt kan differentiera sig i kultur till embryokroppar som består av celltyper från kroppens tre embryonala groddlager. Bland de olika celltyper som noterades fanns celler som hade det fysiska utseendet av kardiomyocyter, uppvisade cellulära markörer som överensstämde med hjärtceller och uppvisade kontraktila aktiviteter som liknade kardiomyocyter när de observerades i mikroskop.

I en fortsättning på detta tidiga arbete uppvisade Kehat et al. strukturella och funktionella egenskaper hos kardiomyocyter i tidiga stadier i de celler som utvecklas från de embryoida kropparna. De celler som har spontan kontraktionsaktivitet identifieras positivt genom att använda markörer med antikroppar mot myosin tung kedja, alfa-actinin, desmin, antinaturietiskt protein och hjärttroponin – alla proteiner som finns i hjärtvävnad. Dessa forskare har gjort genetiska analyser av dessa celler och funnit att de transkriptionsfaktorgener som uttrycks stämmer överens med tidiga kardiomyocyter. Elektriska registreringar från dessa celler, förändringar i kalciumjonernas rörelse i cellerna och kontraktila reaktioner på katekolaminhormonstimulering av cellerna liknade de registreringar, förändringar och reaktioner som observerats i tidiga kardiomyocyter under däggdjursutvecklingen. Ett nästa steg i denna forskning är att se om de experimentella bevisen för förbättring av resultatet av hjärtinfarkt hos gnagare kan reproduceras med hjälp av embryonala stamceller.

Dessa banbrytande upptäckter i gnagarmodeller ger nya möjligheter att använda stamceller för att reparera skadad hjärtmuskulatur. Resultaten av de studier som diskuteras ovan är växande bevis för att vuxna stamceller kan utvecklas till fler celltyper än vad man först trodde. I dessa studier verkar hematopoetiska stamceller kunna utvecklas inte bara till blod utan även till hjärtmuskel och endotelvävnad. Denna förmåga hos vuxna stamceller, som allt oftare kallas “plasticitet”, kan göra sådana vuxna stamceller till en lämplig kandidat för reparation av hjärtat. Men dessa bevis är inte fullständiga; de hematopoetiska stamcellspopulationer av mus som ger upphov till dessa ersättningsceller är inte homogena. De är snarare berikade för de aktuella cellerna genom specifika och selektiva stimulerande faktorer som främjar celltillväxten. Den ursprungliga cellpopulationen för dessa injicerade celler har således inte identifierats, och det finns en möjlighet att andra cellpopulationer inkluderas, vilket skulle kunna leda till att mottagaren stöter bort de transplanterade cellerna. Detta är en viktig fråga att ta itu med i kliniska tillämpningar, men den är inte lika relevant i de experimentella modeller som beskrivs här eftersom gnagarna har avlats för att vara genetiskt likartade.

Vilka konsekvenser får det för en utvidgning av forskningen om differentierad tillväxt av ersättningsvävnader för skadade hjärtan? Det finns vissa praktiska aspekter av att producera ett tillräckligt antal celler för klinisk tillämpning. För att reparera ett skadat människohjärta skulle det sannolikt krävas miljontals celler. Den unika förmågan hos embryonala stamceller att replikera i kultur kan ge dem en fördel jämfört med vuxna stamceller genom att tillhandahålla ett stort antal ersättningsceller i vävnadskultur för transplantationsändamål. Med tanke på det nuvarande vetenskapliga läget är det oklart hur vuxna stamceller skulle kunna användas för att generera tillräckligt med hjärtmuskel utanför kroppen för att tillgodose patienternas behov .

Och även om det råder stor uppståndelse eftersom forskarna nu vet att vuxna och embryonala stamceller kan reparera skadad hjärtvävnad, återstår många frågor att besvara innan kliniska tillämpningar kan göras. Hur länge kommer till exempel ersättningscellerna att fortsätta att fungera? Avspeglar forskningsmodellerna för gnagare exakt mänskliga hjärttillstånd och transplantationsreaktioner? Har dessa nya ersättande kardiomyocyter som härrör från stamceller samma elektriska signalledningsförmåga som inhemska hjärtmuskelceller?

Stamceller kan mycket väl fungera som den grund på vilken en framtida form av “cellterapi” byggs upp. I de nuvarande djurmodellerna påverkar tiden mellan skadan på hjärtat och appliceringen av stamceller hur mycket regenerering som sker, och detta har reella konsekvenser för den patient som rusar oförberedd till akutmottagningen efter en hjärtattack. I framtiden skulle patientens celler kunna skördas och expanderas för att användas på ett effektivt sätt? Eller kan riskpatienter donera sina celler i förväg och på så sätt minimera de förberedelser som krävs för att administrera cellerna? Kan dessa stamceller dessutom “programmeras” genetiskt så att de migrerar direkt till skadeplatsen och omedelbart syntetiserar de hjärtproteiner som är nödvändiga för regenereringsprocessen? Forskare använder för närvarande stamceller från alla källor för att besvara dessa frågor, vilket ger en lovande framtid för terapier för att reparera eller ersätta det skadade hjärtat och ta itu med landets främsta dödsorsaker.

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. och Anversa, P. (2001). Bevis för att mänskliga hjärtmuskelceller delar sig efter hjärtinfarkt. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H. och Benvenisty, N. (2000). Differentiering av mänskliga embryonala stamceller till embryokroppar som omfattar de tre embryonala könsskikten. 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. och Goodell, M.A. (2001). Regeneration av ischemisk hjärtmuskel och vaskulärt endotel med hjälp av vuxna 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. och Gepstein, L. (2001). Mänskliga embryonala stamceller kan differentieras till myocyter med kardiomyocytiska strukturella och funktionella egenskaper. J. Clin. Invest. (i tryck)
5. Kessler, P.D. och Byrne, B.J. (1999). Myoblastcellsgrafting i hjärtmuskel: cellbiologi och potentiella tillämpningar. 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. och Itescu, S. (2001). Neovaskularisering av ischemiskt myokard av mänskliga angioblaster från benmärg förhindrar apoptos av kardiomyocyter, minskar remodellering och förbättrar hjärtfunktionen. 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. och Anversa, P. (2001). Benmärgsceller återskapar infarktmyokardiet. 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. och Marshak, D.R. (1999). Multilineage potential hos vuxna mänskliga mesenkymala stamceller. Science. 284, 143-147.

Kapitel 8 | Innehållsförteckning | Kapitel 10

Historiskt innehåll: 17 juni 2001