2.4.1 Verbesserung der zellulären Kardiomyoplastik
Die zelluläre Kardiomyoplastik wurde als potenzielle therapeutische Strategie für die Reparatur und Regeneration des Herzens umfassend untersucht (Mohsin et al., 2011; Huu et al., 2012; Passier et al., 2008). Der Ansatz beinhaltet die Transplantation von Zellen, die in einer Flüssigkeit wie Kochsalzlösung oder Zellkulturmedium suspendiert sind, in Infarktgewebe oder Grenzzone durch intramyokardiale Injektionen. Leider zeigen aktuelle klinische Studien mit aus dem Knochenmark stammenden Zellen gemischte Ergebnisse bei der Verbesserung der LV-Ejektionsfraktion nach Transplantation, teilweise aufgrund einer schlechten Zelleinpflanzung und des Überlebens nach der Entbindung (Wollert, 2011). Es wurde gezeigt, dass, während transplantierte Zellen kurz nach der Implantation lebensfähig sind, nach 1 Woche nur ~ 1% der Zellen durch TUNEL-Analyse verbleiben (Reinecke und Murry, 2002). Der größte Teil des Zelltods, der innerhalb der ersten Tage der Transplantation beobachtet wird, wird wahrscheinlich durch die Kombination von Ischämie, Entzündung und Anoikis oder Apoptose verursacht, die durch Störung der Zell–Matrix-Interaktionen induziert wird (Haider und Ashraf, 2008; Robey et al., 2008). In: Christman et al. (2004b) waren die ersten, die zeigten, dass die Injektion von Zellen zusammen mit einem Hydrogel das Überleben von Zelltransplantationen in einem Ratten-MI-Modell verbessern kann. Diese Studie verwendete Skelettmyoblasten von neugeborenen Ratten mit einer Fibrininjektion und zeigte, dass Fibrin im Vergleich zur herkömmlichen Flüssigkeitszufuhr das Überleben von Myoblasten um mehr als das Zweifache verbesserte. Die Injektion von Myoblasten mit Fibrin erhöhte die fraktionierte Verkürzung und die Infarktdicke (Christman et al., 2004a), aber dies unterschied sich statistisch nicht von der Injektion von Fibrin allein. Seitdem wurde die Verwendung von Fibrin als Trägervehikel zur Verbesserung des Erfolgs der zellulären Kardiomyoplastik mit Knochenmarkszellen nachgewiesen (Nakamuta et al., 2009), aus dem Knochenmark gewonnene kardiale Stammzellen (Guo et al., 2011) und aus Fett gewonnene Stammzellen (Danoviz et al., 2010; Zhang et al., 2010).
Andere natürlich gewonnene Hydrogele, die zur Zelltherapie verwendet wurden, umfassen Chitosan (Lu et al., 2009; Lüet al., 2010), Matrigel (Laflamme et al., 2007) und RGD-modifiziertes Alginat (Yu et al., 2010). Wie bereits erwähnt, fehlen Alginat die intrinsischen Motive für die Zelladhäsion, so dass, um Anoikis von transplantierten Zellen zu verhindern, Modifikationen an Alginat vorgenommen werden müssen, um Zell–Matrix-Wechselwirkungen bereitzustellen. Yu et al. (2010) verwendeten ein RGD-modifiziertes Alginat, um humane mesenchymale Stammzellen (hMSCs) einzukapseln. Mikrokügelchen, die aus dieser Lösung erzeugt und in ein Ischämie-Reperfusionsmodell bei nackten Ratten injiziert wurden, zeigten eine Persistenz von hMSCs in Mikrokapseln nach 7 Tagen und 2 Wochen, während hMSCs, die mit Medium injiziert wurden, nur nach 1 Tag nachweisbar waren. Sowohl die Mikrokügelchen als auch die hMSCs mit Mikrokügelchen konnten die Verschlechterung der Vorderwanddicke und der LV-Abmessungen während der Systole und Diastole verhindern, es gab jedoch keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen. Um die verschiedenen Ursachen für ein schlechtes Zellüberleben (ischämische Zustände, Anoikis und Freisetzung von Entzündungsfaktoren) anzugehen, haben Laflamme et al. (2007) entwickelten einen mehrgleisigen Ansatz, den sie als Prosurvival Cocktail (PSC) bezeichneten, der Matrigel zur Vorbeugung von Anoikis, Cyclosporin A zur Immunsuppression, einen Caspasehemmer, ein anti-mitochondrial-apoptotisches Peptid Bcl-XL, Insulin-like Growth Factor und eine Verbindung, die ischämische Konditionierung nachahmt. Die Verwendung von PSC verbesserte das Überleben humaner embryonaler Stammzellen (hESC) bei Kardiomyozytentransplantationen und erhöhte die Transplantatgröße von 1 bis 4 Wochen nach der Injektion um das Siebenfache. Spannend ist, dass dieser kombinatorische Ansatz zu Infarkten mit signifikanter Remuskularisierung führte (bis zu 10,7%; Farbplatte VIII). Injektion von hESC-abgeleiteten Kardiomyozyten mit PSC signifikant verbesserte LV-endsystolische Dimension, fraktionierte Verkürzung und Wandverdickung im Vergleich zu PSC nur, nicht kontraktile Zelle mit PSC und serumfreie Medienkontrollen.
Der synthetischen Hydrogele auf PEG-Basis (Wang et al., 2009b; Kraehenbuehl et al., 2011), PNIPAAm-basierte Hydrogele (Li et al., 2010; Wall et al., 2010), peptide NFs (Dubois et al., 2008) und Hydroxypropylmethylcellulose (Mathieu et al., 2012) wurden zusammen mit Zellen in Kleintier-MI-Modellen zur Herzreparatur injiziert. Wie in Abschnitt 2.2 erwähnt, haben PEG und PNIPAAm keine inhärente Bioaktivität und sind nicht abbaubar, können jedoch leicht mit Biomolekülen modifiziert werden, um diese Eigenschaften zu verbessern. Kraehenbuehl et al. (2011) modifizierte PEG-Vinylsulfon-Hydrogele mit MMP-spaltbaren Peptiden und Integrin-bindenden Liganden zur Herstellung eines zelladhäsiven und abbaubaren Hydrogels. Unter Verwendung dieses biomimetischen synthetischen Hydrogels lieferten sie hESCs und Thymosin β4, einen angiogenen und Proüberlebensfaktor, 1 Stunde nach vollständiger Okklusion in einem Ratten-MI-Modell. Sie stellten fest, dass über Wochen, wie das Hydrogel abgebaut wurde, Zellen in Kontakt mit dem Gel erhöht. Nach 6 Wochen war das Hydrogel nicht nachweisbar, aber Zellen, die mit dem Hydrogel und Thymosin β4 geliefert wurden, hatten signifikant kleinere Infarktgröße und enddiastolisches Volumen als PBS-injizierte Kontrollen. Darüber hinaus waren das endsystolische Volumen und die Ejektionsfraktion im Vergleich zu allen anderen Behandlungsgruppen signifikant verbessert. In ähnlicher Weise haben Wall et al. (2010) wurde auch versucht, das thermoresponsive synthetische Hydrogel PNIPAAm durch Zugabe von MMP-abbaubaren Peptidvernetzern und RGD-haltigen Peptidsequenzen zu modifizieren. Injektionen wurden mit Maus-Knochenmark-abgeleiteten MSCs in ein murines Totalokklusionsmodell unmittelbar nach dem Infarkt vorgenommen. Nach 6 Wochen waren MSCs in 38% der Herzen nachweisbar, wenn sie mit dem Hydrogel injiziert wurden, aber nicht identifizierbar, wenn sie allein injiziert wurden. Interessanterweise führte die Verwendung von Matrigel zu 25% der Herzen mit nachweisbaren Zellen, was darauf hindeutet, dass synthetische Hydrogele mit biomimetischen Modifikationen die Zell–Matrix-Interaktionen unterstützen und die Anoikis im Vergleich zu natürlich gewonnenen Hydrogelen gleich oder besser verringern können. In der Studie von Mathieu et al. (2012) ist es interessant festzustellen, dass die Injektion der silanisierten Hydoxyproypl-Methylcellulose allein die echokardiographischen Messungen nach 8 Wochen nicht verbesserte, möglicherweise aufgrund ihres Mangels an intrinsischer Bioaktivität. Die Injektion von MSCs mit silanisierter Hydoxyproypl-Methylcellulose verbesserte jedoch signifikant den systolischen Durchmesser des LV-Endes, die fraktionierte Verkürzung und die Ejektionsfraktion.
Lin et al. (2010) injizierte mononukleäre Knochenmarkszellen (MNCs) mit selbstorganisierenden Oligopeptiden unmittelbar nach dem Infarkt. Die Injektion von MNCs mit Peptid-NFs verbesserte das Überleben von MNCs um das Zehnfache im Vergleich zu MNCs, die allein injiziert wurden. Darüber hinaus erhöhte die Injektion mit NFs die MNC-Differenzierung zu Endothel- und glatten Muskelzellen, was zu einer erhöhten Kapillardichte im Vergleich zur MNC-Injektion allein führte. Von den drei Behandlungsgruppen (MNC allein, NF allein und MNC mit NF) waren Zellen, die mit dem NF-Hydrogel geliefert wurden, am besten in der Lage, eine LV-Dilatation zu verhindern, die Herzfunktion zu erhalten und die Infarktform zu verbessern. Insbesondere die Ejektionsfraktion und die Narbendicke waren in der MNC mit NF-Gruppe signifikant höher als in beiden Gruppen allein. Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass die Injektion von MNC allein zwar die systolische Funktion verbessern konnte, die Injektion von MNC mit NF jedoch zur Verbesserung der diastolischen und systolischen Funktion erforderlich war.