UvA-DARE (Digital Academic Repository)
The myocardial potential of proepicardial cells: From development to cardiac
regeneration
van Wijk, A.
Publication date
2010
Link to publication
Citation for published version (APA):
van Wijk, A. (2010). The myocardial potential of proepicardial cells: From development to
cardiac regeneration.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
Samenvatting
Het vermogen van het hart zich te herstellen na beschadiging wordt de regeneratieve capaciteit van het hart genoemd. Deze capaciteit is goed ontwikkeld in de harten van lagere gewervelde dieren zoals vissen en salamanders, maar is zeer gering in zoogdierharten. In deze harten worden na een infarct de afgestorven hartspiercellen niet vervangen door hartspiercellen, maar door bindweefselcellen waardoor de pompfunctie van het hart afneemt en het hart uiteindelijk gaat falen. Om de functie van het hart te herstellen zijn hoe dan ook nieuwe hartspiercellen nodig. Het behoeft geen betoog dat inzicht in het proces van hartspiercelvorming van groot klinisch belang is. In dit proefschrift hebben we ons geconcentreerd op de vraag welke signaaleiwitten en signaaltransductiepaden in het embryo belangrijk zijn voor de differentiatie van voorlopercellen in hartspiercellen of bindweefselcellen.
Tijdens de embryonale ontwikkeling van het hart vindt de signalering plaats die bepaalt of een voorlopercel differentieert tot hartspiercel of niet. Met de huidige technieken is het mogelijk dit proces te bestuderen. Dit biedt een unieke mogelijkheid de mechanismen van hartspiercelvorming te ontrafelen. Het vroege embryonale hart is niet meer dan een peristaltisch kloppend buisje, waarvan de wand uitsluitend is opgebouwd uit hartspiercellen. In het volgroeide hart, daarentegen, maken de hartspierspiercellen slechts 30% van het totaal uit en vormen bindweefselcellen een majeure component van de rest van de cellen. Tijdens de embryonale ontwikkeling worden zowel hartspiercellen als bindweefselcellen aan het hart toegevoegd. Het embryonale hart groeit doordat aan beide polen van het hart cellen worden toegevoegd. Aan de instroom pool, of veneuze pool, van het hart worden naast hartspiercellen ook bindweefselcellen toegevoegd. Via het zogenoemde pro-epicard, een “bloemkoolachtige” structuur, die zich op de instroompool van het hart vormt, wordt het merendeel van de bindweefselcellen aan het ontwikkelende hart toegevoegd. Het pro-epicard vormt uitlopers die contact maken met de hartbuis en vervolgens uitgroeien over het gehele hart, dat aanvankelijk “naakt” in de pericardholte ligt. De cellaag die vanuit het pro-epicard uitgroeit over het hart wordt het epicard genoemd. Uit het epicard ontstaan gedurende de verdere ontwikkeling het merendeel van de bindweefselcellen van het volwassen hart en de cellen van de coronairvaten. Tijdens de ontwikkeling van het pro-epicard vindt er dus een belangrijk proces plaats waarbij embryonale cellen als hartspiercel of als bindweefselcel aan het hart worden toegevoegd. We noemen dit een “lineage switch”. Inzichten in de regulatie van dit proces kunnen een basis vormen om het proces van bindweefselvorming in plaats van hartspiercelvorming na een infarct te beïnvloeden.
In dit proefschrift worden inzichten gegeven in de afsplitsing van het pro-epicard uit cardiale voorlopercellen, de capaciteit van het pro-epicard om tot hartspiercel te differentiëren en de signaalmoleculen die de differentiatie van pro-epicard en myocard reguleren. Tenslotte is de rol van het epicard na een infarct in het volwassen hart geanalyseerd.
In hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van de ontwikkeling van het hart. In dit hoofdstuk worden de hartvelden, de deling in het embryonale hart en de bijdrage van cellen uit het endocard, myocard en het epicard besproken. Naast deze ontwikkelingsbiologische inzichten is in dit hoofdstuk de potentiële toepasbaarheid van deze inzichten in de ontwikkeling van nieuwe regeneratieve therapieën beschreven.
Hoofdstuk 2 bevat een overzicht van de rol van Bone Morphogenetic Proteins
(BMPs), een familie van signaaleiwitten, tijdens de ontwikkeling van het hart. BMPs spelen een belangrijke rol bij de differentiatie van het mesoderm van de hartvelden tot hartspiercel. In het embryonale hart spelen BMPs een belangrijke regulerende rol in de ontwikkeling van het pro-epicard, het atrioventriculaire kanaal en de septa van het hart. Daarnaast zijn BMPs belangrijke regulators in de differentiatie van stamcellen tot hartspiercellen.
De volgende vier hoofdstukken richten zich op de regulatie van de differentiatie van het pro-epicard. In hoofdstuk 3 tonen we in kweek aan dat pro-epicardcellen, ondanks dat deze tijdens de ontwikkeling vooral bijdragen aan de bindweefselcellen van het hart, de capaciteit behouden om tot hartspiercel te differentiëren. De signaaleiwitten BMP en Fibroblast Growth Factor (FGF) spelen bij deze differentiatie een belangrijke rol. In hoofdstuk
4 wordt in cel-labelingsexperimenten aangetoond dat pro-epicardcellen en hartspiercellen
van de instroom van het hart ontstaan uit een gemeenschappelijke voorloperpopulatie. De afsplitsing van beide celtypen uit de voorloperpopulatie wordt gereguleerd door een intracellulaire interactie van twee verschillende signaaltransductie paden, namelijk die van BMP en FGF. Een signaaltransductiepad is het proces waarbij een biologisch signaal via de activatie van een receptor op de celmembraan leidt tot een intracellulaire response. In het pro-epicard wordt de differentiatie tot hartspiercel geremd doordat het FGF-signaal via Erk de activatie van het BMP-signaal via Smad blokkeert. Dit inzicht maakt het mogelijk de differentiatie naar hartspiercel te stimuleren, zoals we hebben aangetoond in in vitro en in vivo experimenten. In hoofdstuk 5 wordt een overzicht gegeven van de gemeenschappelijke oorspong van het pro-epicard en de hartspiercellen van de instroompool van het hart. Op basis van de in de literatuur beschreven traditionele labelings- en genetische labelingsstudies wordt beargumenteerd dat het pro-epicard wordt gevormd uit cardiale voorlopercellen. In
hoofdstuk 6 wordt met behulp van een genoomwijde expressieanalyse van verschillende
pro-epicard- en epicard-ontwikkelingsstadia gezocht naar genen die een rol spelen bij de differentiatie tot hartspiercel. Uit deze vergelijking blijkt dat het Wnt signaaltransductiepad waarschijnlijk een belangrijke factor is voor de differentiatie van voorlopercellen tot hartspiercel. Het signaaleiwit Wnt-inhibiting factor-1 (Wif1), een natuurlijke extracellulaire remmer van Wnt-signalering, stimuleert in vivo en in vitro hartspiervorming.
De bevinding dat pro-epicardcellen de capaciteit behouden tot hartspiercel te differentiëren en het inzicht in de signalen die deze differentiatie reguleren, maken het epicard tot een potentieel interessante populatie voor de regeneratie van het volwassen hart. In hoofdstuk 7 is deze hypothese onderzocht in muizen met genetisch gemarkeerde epicardcellen, waarin met een operatie een hartinfarct is geïnduceerd. Uit dit onderzoek
blijkt dat het epicard, evenals hartspiercellen, direct na het ontstaan van het infarct sterft. Het epicard, echter, groeit na één dag vanuit de wondranden van het infarct uit over het gehele geïnfarceerde gebied en brengt genen tot expressie die ook tijdens de embryonale ontwikkeling van het pro-epicard actief zijn. Het geactiveerde epicard vormt vervolgens mesenchymale cellen. Deze mesenchymale cellen differentiëren vooral tot bindweefselcellen. Maar, veel belangrijker, deze studie laat zien dat deze cellen ook hartspiercellen vormen. De hoeveelheid hartspiercellen die wordt gevormd is echter niet voldoende om het hart te herstellen. Deze reactie van het epicard blijkt een evolutionair geconserveerd proces te zijn. In lagere gewervelde dieren, zoals vissen, die wel in staat zijn hun hart te regenereren na schade, wordt het epicard ook geactiveerd. Dezelfde genen en signalen die tijdens de ontwikkeling de differentiatie van voorlopercellen in hartspier- versus bindweefselcel reguleren, worden in het epicard van het volwassen hart na een infarct geactiveerd. Dit onderzoek toont aan dat, in tegenstelling tot het algemeen aanvaarde dogma dat het zoogdierhart niet in staat is te regenereren, beschadiging van het zoogdierhart een regeneratieve response induceert, waarbij embryonale processen worden gereactiveerd, zij het dat onvoldoende hartspiercellen worden gevormd. Met deze inzichten kunnen nieuwe therapieën worden ontwikkeld waarin deze endogene regeneratieve capaciteit van het hart gestimuleerd wordt om zo het hart te laten herstellen. Dit vormt het uitgangspunt voor een nieuwe benadering van hartregeneratie.
Translationeel perspectief
In de translatie van het in dit proefschrift gepresenteerde onderzoek naar de kliniek staat de vraag centraal hoe de endogene regeneratieve reactie van het hart gestimuleerd kan worden. En in het verlengde hiervan de basale vraag waarom dezelfde regeneratieve respons in lagere vertebraten tot nieuwe hartspiercellen leidt en in het zoogdierhart vooral tot bindweefselvorming.
Er zijn een aantal mogelijke redenen waarom lagere vertebraten een hoger regeneratief vermogen hebben dan zoogdieren. (1) Vissen en zoogdieren vertonen opvallende verschillen in de capaciteit te kunnen blijven groeien gedurende hun leven. Een aantal vissoorten, zoals de zebravis, behoudt onder de juiste omstandigheden de capaciteit tot onbepaalde, onbeperkte groei.1-4 Zoogdieren echter, bereiken een maximale grootte.1,3,5 De regeneratieve
capaciteit in groeiende dieren is groter dan in dieren die volwassen zijn en hun maximale grootte hebben bereikt.6-9 (2) Koudbloedige dieren, zoals vissen en salamanders, hebben
een lager metabolisme dan warmbloedige dieren. Als gevolg van hun hogere metabolisme hebben zoogdieren een hogere lichaamstemperatuur en een hogere bloeddruk. Hierdoor zijn zoogdieren kwetsbaarder voor infecties van wonden en bloedingen als gevolg van
de verwonding.10 Daarom is het voor zoogdieren cruciaal dat de wond snel wordt gedicht
zodat de bloeding stopt en het risico op infectie afneemt, ook al leidt dit tot beperkingen. Om een snelle wondheling te bewerkstelligen wordt een ontstekingsreactie geactiveerd. Hoewel dit voor het zoogdier levensreddend is, staat het een volledige regeneratie van het
aangedane lichaamsdeel in de weg. (3) Bovendien hebben zoogdieren en vissen, zoals al is
genoemd, te maken met totaal andere hemodynamische karakteristieken.11 De vis heeft een
relatief groot bloedvolume dat in lage druk wordt rondgepompt. De hoge energiebehoefte van zoogdieren, daarentegen, heeft gedurende de evolutie geleid tot een bloedcirculatie die gekenmerkt wordt door een relatief klein bloedvolume dat in hoge druk wordt rondgepompt. In overeenstemming hiermee heeft het zoogdierhart een dikke compacte hartspierlaag, verantwoordelijk voor krachtige synchrone contracties. Die laag heeft de vis niet; deze heeft een zogenoemd trabeculair, sponsachtig hart. Door de hoge bloeddruk heeft het zoogdierhart bij schade die de wand van het hart verzwakt, een groot risico te scheuren. Net als bij de beschadigde ledematen, moet de ventrikelwand snel worden verstevigd op de geïnfarceerde plek om scheuring te voorkomen, ook al gaat dit uiteindelijk ten koste van de contractiekracht van het hart.
Het is opmerkelijk en klinisch zeer interessant dat de initiële regeneratieve reactie op schade in het zoogdierhart evolutionair geconserveerd is en vergelijkbaar met die van de vis. Het lijkt erop dat de mogelijkheid tot regeneratie in principe nog aanwezig is maar niet volledig afgemaakt wordt of kan worden. De reden hiervoor kan gezocht worden in de hoge druk waarmee het hart te maken heeft. Het is bekend dat het hart de eerste week na
een infarct het meest kwetsbaar is voor wandrupturen.12 Hiervoor is bindweefselvorming
juist levensreddend. Een mogelijke aanpak om de regeneratie van het zoogdierhart te stimuleren zou kunnen zijn de hemodynamiek zo aan te passen dat het mogelijk wordt te regenereren. Hiertoe zou een steunhart geïmplanteerd kunnen worden, iets wat nu wordt gebruikt ter overbrugging van de wachttijd op een donorhart. In dit ontlaste hart kunnen de groeifactoren, beschreven in dit proefschrift, lokaal gestimuleerd worden zodat er meer hartspiercellen worden gevormd. Er zijn aanwijzingen dat het ontlaste hart inderdaad een veel hoger regeneratief vermogen heeft. Bij een elf maanden oud meisje dat een heterotopische harttransplantatie moest ondergaan, kon na elf jaar het donorhart verwijderd worden, omdat het oorspronkelijk hart weer functioneerde.13 Ook het volwassen
hart is, wanneer het ontlast wordt, beter in staat te herstellen.14
Op deze manier zou het in de toekomst mogelijk moeten zijn het beschadigde hart met behulp van chirurgische interventie in combinatie met locale modulering van de relevante signaaltransductiepaden te herstellen. Zo zouden inzicht in de regeneratie van de harten van lagere vertebraten gecombineerd met inzicht in de ontwikkeling van het hart (evo-devo) uiteindelijk kunnen leiden tot een rationele therapie om het geïnfarceerde hart te herstellen.
References
1. Finch CE. Longevity, Senescence, and the Genome, in: AnonymousUniversity of Chicago Press,1990,
2. Fine ML, Foster K, Radtke R. Absence of age-related ploidy changes in a fish with indetermi nate growth. J Gerontol. 1984;39:18-21
3. Patnaik BK, Mahapatro N, Jena BS. Ageing in fishes. Gerontology. 1994;40:113-132
4. Reznick D, Ghalambor C, Nunney L. The evolution of senescence in fish. Mech Ageing Dev. 2002;123:773-789
5. Armstrong HA, Smith CJ. Growth patterns in euconodont crown enamel: implications for life history and mode-of-life reconstruction in the earliest vertebrates. Proc Biol Sci. 2001;268:815- 820
6. Gosain A, DiPietro LA. Aging and wound healing. World J Surg. 2004;28:321-326
7. Keylock KT, Vieira VJ, Wallig MA, DiPietro LA, Schrementi M, Woods JA. Exercise accelerates cutaneous wound healing and decreases wound inflammation in aged mice. Am J
Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2008;294:R179-R184
8. Guo S, Dipietro L.A. Factors affecting wound healing. J Dent Res. 2010;219-229
9. Ferguson MW, O’Kane S. Scar-free healing: from embryonic mechanisms to adult therapeutic intervention. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2004;359:839-850
10. Van de Putten J, Gryson L. Biologie en Fysiologie van de wondgenezing, in: AnonymousWolter Kluwer,2007,
11. Evans DH, Claiborne JB. The Physiology of fishes, in: Anonymousedthird. CRC press,2006, 12. Wilansky S, Moreno CA, Lester SJ. Complications of myocardial infarction. Crit Care Med.
2007;35:S348-S354
13. Tsang V, Yacoub M, Sridharan S, Burch M, Radley-Smith R, Khaghani A, Savoldo B, Amrolia PJ. Late donor cardiectomy after paediatric heterotopic cardiac transplantation. Lancet. 2009;374:387-392
14. Domingo L.A. Artificial heart left vebtricular assist device (LVAD) A bridge to recovery domingo liotta Ann of thoracic surg. Ann Thorac Surg. 2008;(14) 5, 271-273
