Zelltransfer in das Myokard

Herzinsuffizienz entwickelt sich häufig nach dem Verschluss einer Koronararterie und der sich daraufhin entwickelnden lokalen Ischämie und Nekrose von Herzmuskelgewebe. Das Myokard verfügt über keine (bzw. nur sehr begrenzte) Regenerationsfähigkeit. Ein Infarkt heilt deshalb durch Vernarbung des betroffenen Muskelgewebes. Dieser unvermeidliche Verlust an kontraktilen Zellen führt zu einer Verminderung der Herzleistung und in der Folge zur Herzinsuffizienz. In früheren Studien wurde gezeigt, dass die Injektion von autologen Myoblasten (MB) aus der Skelettmuskulatur bzw. von Stammzellen aus dem Knochenmark (BMC) in das Infarktareal (oder die Aktivierung von BMC durch die Verabreichung von Zytokinen) die Regeneration von Herzmuskelgewebe fördern. Die Effizienz der jeweiligen Therapieansätze ist Gegenstand intensiver Forschung und wird von verschiedenen Gruppen unterschiedlich bewertet. Ein wichtiges Ziel diese Forschungsantrages ist deshalb die vergleichende Analyse und die Optimierung der Zelltransfertherapie nach einem Myokardinfarkt (MB vs. MB/Fibroblasten (FB) vs. BMT) an einem Tiermodell (Fisher Ratte). Eine zweite Aufgabenstellung ist die Klärung des arrhythmogenen Potentials der implantierten MB und BMT. Ein wesentlicher Teil der Untersuchungen wird auf Einzelzellebene an enzymatisch isolierten Zellen, die vorher (z.B. durch Markergene oder Fluoreszenzfarbstoffe) gekennzeichnet und in das Infarktareal implantiert wurden, durchgeführt (konfokale Mikroskopie, patch clamp, EC-coupling). Die Expression der verschiedener Subtypen von Natrium und Kalziumkanälen werden in den implantierten Zellen mit patch clamp Technik untersucht und ihr potentieller Beitrag zu Arrhythmieentstehung analysiert. Ein wichtiger Projektbestandteil sind Untersuchungen zum therapeutischen Potential der BMCvs. MB- vs. MB/FB-Therapie (Kooperation mit Prof Laufer, Abteilungen für Herzchirurgie und Prof Gastl Abteilung für Hämatologie, Universitätsklinik Innsbruck am experimentellen Herzinfarktmodell). Verlaufsbeurteilungen werden in vivo mit Hilfe von telemetrischen EKG und Blutdruckmessungen durchgeführt. Die Herzfunktion nach Zelltransfer wird außerdem mit Hilfe von Echokardiographie beurteilt. In abschließenden ex vivo Untersuchungen am isoliertperfundierten "working heart" Modell werden weitere Parameter der Herzleistung nach den verschiedenen Versionen der Zelltherapie erhoben, um den optimalen Zeitpunkt und die optimale Menge von benötigtem Zellmaterial genauer zu bestimmen. Die Expertise der beteiligten Gruppen (Herzchirurgie [Infarktmodell, in vivo u. ex vivo Untersuchungen], Hämatologie [Stammzellen] und Biochemische Pharmakologie [Untersuchungen an Einzelzellen]) sowie die gemeinsame Nutzung des Infarktmodells und der bereits etablierten GFP-positiven Zellinien am Inzuchtmodell der Fisher Ratte bilden optimale Voraussetzungen für eine erfolgreiche Realisierung des Projektes.

Die Transplantation von adulten Stammzellen (aus der Muskulatur oder dem Knochenmark) ist eine potentiell neue Möglichkeit die Prognose von Patienten mit Herzinsuffizienz zu verbessern. Das Konzept basiert auf der Annahme, dass der Verlust von Herzmuskelzellen, z.B. nach einem Myokardinfarkt, partiell durch die Implantation neuer kontraktiler Zellen in oder um das Infarktareal aufgehoben werden kann. In "proof of concept" Studien konnte dies gezeigt werden, sowohl der Transfer von Skelettmuskelmyoblasten (SM) als auch der von Stammzellen aus dem Knochenmark (BMC) fördert die Regeneration von Gewebe nach einem Myokardinfarkt. Ein wichtiger Teil des Projektes beschäftigte sich mit der Frage, ob die Effizienz der Zelltherapie durch gleichzeitige Injektion von SM und BMC im Vergleich zur Injektion eines Zelltyps erhöht werden kann. In Untersuchungen an einem Rattenmodell konnten wir zeigen, dass die kombinierte Injektion vorteilhaft ist und möglicherweise auch klinische Relevanz hat. In Untersuchungen aus jüngster Zeit zeigte sich, dass ähnliche Vorteile auch an einem Modell der chronischen Herzinsuffizienz durch Co-Applikation von SM und angiogenen Vorläuferzellen aus dem Knochenmark erzielt werden können. Im Projektverlauf wurde zusätzlich eine neue Methode für intramyokardiale Druckapplikation von Mikrodepots entwickelt, die die Effizienz der Zelltransplantation erhöht und weniger Gewebsschäden verursacht. Ein wichtiges Ziel des Forschungsprojektes war die Charakterisierung der elektrophysiologischen Eigenschaften von SM nach der Implantation in das Myokard. Es wurden die spannungsabhängigen Natrium-, Kalzium und Kaliumkanäle von SM vor und nach Implantation in das Myokard von syngenen Raten mit Hilfe von patch clamp Untersuchungen verglichen. Die Zellen wurden dafür zu verschiedenen Zeitpunkten enzymatisch aus dem Myokard isoliert. Es wurde eine down Regulation aller drei Typen von Ionenströmen beobachtet, wobei diese in unterschiedlicher zeitlicher Abfolge stattfand. In aus dem Myokard isolierten SM wurden zudem andere Typen von Kaliumkanälen gemessen, als unter Zellkulturbedingungen vor dem Transfer ins Myocard. Unsere Befunde weisen darauf hin, dass SM einen Dedifferenzierungsprozess durchlaufen und sich als mononukleäre, nicht erregbare Zellen im Myokard ansiedeln. Unter optimalen Wachstumsbedingungen exprimieren diese Zellen erneut spannungsabhängige Ionenkanäle und sind auch in der Lage wieder zu multinukleären Myotuben zu fusionieren. In Folgeuntersuchungen aus jüngster Zeit konnten wir zeigen, dass die down Regulation auch in nicht infarziertem Myokard stattfindet, d.h. nicht durch das "aggressive" Milieu des Infarktareals verursacht ist.