Weltherztag 2023

Der Myokardinfarkt (MI), auch bekannt als Herzinfarkt, ist die häufigste Todesursache in den USA [1], und im Vereinigten Königreich werden jedes Jahr bis zu 100.000 Patienten wegen MI in ein Krankenhaus eingeliefert [2]. Die häufigste Ursache für einen Herzinfarkt ist Atherosklerose in den Koronararterien (als koronare Herzkrankheit bezeichnet), aber ein Herzinfarkt kann auch durch eine spontane Dissektion der Koronararterien verursacht werden, und zu den Risikofaktoren gehören Diabetes, Bluthochdruck, Rauchen und der Konsum bestimmter Freizeitdrogen [1]. Diese Faktoren führen letztlich zu einer Ischämie in einem Teil des Myokards und damit zu lokaler Hypoxie und Nekrose.

Myokardgewebe hat eine geringe Regenerationsfähigkeit, weshalb nach einem Herzinfarkt ein medizinischer Eingriff erforderlich ist, um den Verlust von Kardiomyozyten und eine dauerhafte kardiale Dysfunktion, Fibrosebildung und strukturelle Umgestaltung zu verhindern [1,3]. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark aufgrund ihrer regenerativen Eigenschaften klinische Vorteile bietet, wenn sie in infarzierte Herzen transplantiert werden. Allerdings ist ihre Überlebensrate in der Mikroumgebung des Myokardinfarkts aufgrund des Vorhandenseins reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und Hypoxie, die Apoptose verursachen, gering [3].

Ding et al. (2022) haben kürzlich die Fähigkeit eines injizierbaren Hydrogels (RCGel) erforscht, den Verlust von MSZ während der Transplantation zu verhindern und den therapeutischen Nutzen zu erhöhen, z. B. den Verlust von Kardiomyozyten zu verhindern und die kardiovaskuläre Reparatur zu verbessern [3]. RCGel wurde auf seine Fähigkeit untersucht, ROS abzufangen und über Katalase Sauerstoff zu erzeugen, sowie auf seine Wirksamkeit bei der Verkapselung von MSZ und deren Schutz vor der rauen Mikroumgebung [3]. Der In-vitro-Teil der Studie wurde in einer Whitley H35 Hypoxystation durchgeführt.

Das Team verwendete zunächst ein Wasserstoffperoxid-Verletzungsmodell in seinen Experimenten, um die schützenden Fähigkeiten des RCGels auf MSZ in vitro zu untersuchen, indem es H₂O₂ zum DMEM-Kulturmedium hinzufügte, wenn es Zelllinien aussäte. Sie fanden heraus, dass die MSCs/RCGel vor oxidativem Stress geschützt waren, wobei die Lebensfähigkeit der Zellen 95 % betrug, verglichen mit 75 % bei MSCs allein. RCGel schützte die MSZ auch vor Apoptose; die Expression von gespaltenem Capsase3 war vermindert und die Expression von Bcl2/Bax war erhöht, wenn sie mittels Western Blot analysiert wurde [3]. Wenn Kardiomyozyten mit MSCs/RCGel in Gegenwart von H₂O₂ kokultiviert wurden, sank die ROS-Konzentration signifikant, und die Lebend-/Totfärbung zeigte, dass RCGel die Überlebensrate von Kardiomyozyten (89 %) im Vergleich zu MSCs allein (70 %) unter oxidativem Stress erhöhte [3]. RCGel war auch in der Lage, die Hypoxie zu lindern. Die 24-stündige Kultivierung von Kardiomyozyten allein verstärkte das Ausmaß der Hypoxie, aber die Kokultur mit MSC/RCGel zeigte eine Verbesserung der Hypoxie durch die Umwandlung von H₂O₂ in Sauerstoff und H₂0. Dies alles beweist, dass MSC/RCGel in vitro ROS reduziert, die Sauerstoffkonzentration erhöht, den Verlust von MSC durch oxidativen Stress verringert und die Apoptose reduziert, was das Überleben der Kardiomyozyten verbessert.

Alle diese Erkenntnisse wurden dann in vivo angewandt. In einem Rattenmodell wurde ein Myokardinfarkt (MI) ausgelöst und anschließend MSCs/RCGel in die betroffene Stelle injiziert, um den Verbleib der MSCs und die Lebensfähigkeit der Kardiomyozyten nach der Transplantation zu untersuchen [3]. Mit Hilfe der Biolumineszenz wurde gezeigt, dass die MSC-Überlebensrate in der MSC/RCGel-Gruppe an den Tagen 1, 3 und 5 signifikant höher war als in der reinen MSC-Gruppe [3]. Darüber hinaus reduzierte das MSC/RCGel die Apoptoserate auf 7 % der apoptotischen Kardiomyozyten, die am dritten Tag nach dem Infarkt vorhanden waren, und die Überlebensrate der Kardiomyozyten 28 Tage nach dem Infarkt im betroffenen Gebiet betrug 13 % im Vergleich zu 3 % in der Kontrollgruppe [3]. Die MSC/RCGel-Gruppe hatte auch eine signifikante verstärkte Vaskularisierung in den betroffenen und angrenzenden Bereichen des Herzmuskels, was beweist, dass die Injektion die Angiogenese fördert und das Herz nach einem Herzinfarkt verbessert [3]. Diese Erkenntnisse könnten die Effizienz der zellbasierten Therapie bei der Behandlung von Herzinfarkten verbessern. 

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Geschrieben von DWS-Mikrobiologin, Charlotte Austin

Referenzen

1. Ojha N, Dhamoon AS. (2023) Myocardial Infarction. StatPearls Publishing. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537076/
2. British Heart Foundation (April 2023) BHF UK CVD Factsheet.  https://www.bhf.org.uk/informationsupport/conditions/heart-attack
3. Ding  H, Ding J, Liu Q, Lin J, He M, Wu X, Chen X, Xiao C, Ren T, Zhu Y, Gao  C, Hu X, Wang J (2022) Mesenchymal stem cells encapsulated in a reactive  oxygen species-scavenging and O2-generating injectable hydrogel for  myocardial infarction treatment. Chemical Engineering Journal. Volume 433, Part 2, 133511, ISSN 1385-8947