Generation of Cardiomyocytes from Embryonic Stem Cells

Background:

Cardiomyopathy is characterized by the loss of functional cardiomyocytes resulting in heart failure. More recently, there is increasing evidence from animal studies that transplantation of cardiomyocytes may represent a valuable approach for the treatment of severe heart failure.

Development of Cardiac Cells: Treatment of cardiovascular diseases using cardiomyocytes derived from embryonic stem cells prerequisites establishment of pure lineages of early embryonic cardiomyocytes from human embryonic stem cells. The development of cardiac cells from embryonic stem cells is regulated by several growth factors such as TGF-β, IGF FGF and erythropoietin. After binding to their receptor, growth factors induce expression of a number of cardiac specific transcription factors such as the zinc finger GATA proteins and Nkx-2.5, a coactivator of the GATA-4 protein. The GATA-4 transcription factor and Nkx-2.5 are essential for heart development. In parallel to adult cardiomyocytes, embryonic stem cell-derived cardiomyocytes developmentally express cardiac specific proteins and ion channels.

Generation from Embryonic Stem Cells: Recently, it has been shown that pure cardiomyocytes can be generated from genetically manipulated embryonic stem cells. In order to achieve the selective cardiac differentiation of embryonic stem cells different culture conditions are currently tested to examine in the future the influence of different growth factors. However, although significant progress has been made in generating pure cardiomyocytes, further efforts are required to avoid possible immunological rejection of the engrafted cardiomyocytes. Thus, a main challenge in the future will be the establishment of pure lineages of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells.

Hintergrund:

Ein Verlust an funktionellen Kardiomyozyten ist der Hauptgrund für die Entwicklung von Herzerkrankungen, insbesondere für die Entstehung von Kardiomyopathien, die schließlich zur Herzinsuffizienz führen. Da adulte Kardiomyozyten nicht regenerieren, ist die Herztransplantation die einzige kausale therapeutische Möglichkeit bei einer schweren Herzinsuffizienz. Mehrere tierexperimentelle Studien haben jedoch in den letzten Jahren gezeigt, dass die zelluläre Kardiomyoplastie eine alternative Therapieform der schweren Herzinsuffizienz darstellen könnte.

Generierung von Kardiomyozyten: Da eine Transplantation mit embryonalen Kardiomyozyten aus immunologischen, aber auch ethischen Gründen schwierig erscheint, eröffnet die Generierung von Kardiomyozyten aus embryonalen Stammzellen eine neue Möglichkeit, Kardiomyozyten in ausreichender Menge für Transplantationszwecke zu gewinnen. Hierfür ist jedoch eine Anreicherung und Aufreinigung der Herzvorläuferzellen notwendig. Embryonale Stammzellen werden aus dern inneren Zellmasse der Blastozyste isoliert und können zu allen Zelltypen ausdifferenzieren. Mit Hilfe der In-vitro-Züchtung so genannter “Embroid Bodies” werden spontan schlagende Cluster von Kardiomyozyten in der Kulturschale gezüchtet. Morphologische und elektrophysiologische Untersuchungen zeigen, dass die aus embryonalen Stammzellen gewonnenen Kardiomyozyten nahezu identische Eigenschaften zu nativen besitzen, u. a. Genexpressionsmuster und funktionelle Eigenschaften. Interessanterweise können mit diesem Verfahren die unterschiedlichen Herzmuskelzellen wie Schrittmacher-, atriale und ventrikuläre Kardiomyozyten generiert werden.

Die Entwicklung von Kardiomyozyten aus embryonalen Stammzellen wird durch mehrere Wachstums- bzw. Differenzierungsfaktoren wie z. B. TGF-β, IGF und FGF reguliert. Eine Aktivierung der entsprechenden Rezeptoren führt zur Expression von mehreren herzspezifischen Transkriptionsfaktoren, wie z. B. die GATA-Proteine und Koaktivatoren von dem GATA-4-Protein wi z. B. das Nkx-2.5. Der Transkriptonsfkator GATA-4 und das Nkx-2.5 sind essentiell für die Entwicklung des Herzens.

Gegenwärtiger Stand: Es konnten bereits relativ reine Kardiomyozytenpopulationen aus genetisch manipulierten embryonalen Stammzellen gewonnen werden. Um eine selektive Differenzierung zu Kardiomyozyten zu erreichen, sollen in Zukunft Faktoren in serumfreien Bedingungen identifiziert werden, die eine Anreicherung der Kardiomyozyten in embryonalen Stammzellkulturen ermöglichen.

Schlussfolgerung: Obwohl in den letzten Jahren Fortschritte bezüglich der Generierung von Kardiomyozyten aus embryonalen Stammzellen gemacht worden sind, sind weitere Anstrengungen erforderlich, um immunologische Abwehrreaktionen nach der Transplantation zu vermeiden. Ferner erscheint für die Anwendung dieser Technologie ein breiter gesellschaftlicher Konsens notwendig. Parallel zu den wissenschaftlichen Anstrengungen im Bereich der embryonalen Stammzellen sollten weitere Untersuchungen zum (Trans-)Differenzierungspotential adulter Stammzellen in vitro und in vivo vorgenommen werden.