Experimental study of stem cells transplantation in a model of myocardial ischemia

Abstract

Ischemic heart disease remains a major medical problem with high mortality rates. Beside the great efforts devoted to research worldwide and the use of numerous experimental models, an absolute understanding of myocardial infarction and tissue loss has not yet been achieved. Furthermore, the regeneration of myocardial tissue and the improvement of myocardial activity after ischemia is one of the major areas of interest in the medical (and especially cardiovascular) community. In a novel experimental rat model, the beneficial effect of mesenchymal stem cell transplantation (MSCT) in a surgically induced ischemic myocardium was documented. From a clinical perspective, this work supports the surgical administration of MSCT in the infarcted area during coronary artery bypass surgery. The regeneration of myocardial tissue and the improvement of myocardial activity after ischemia is one of the major areas of interest in cardiovascular research. We developed a novel experimental rat model and used it to examine the effect of mesenchymal stem cell transplantation (MSCT) on myocardial ischemia evaluated by SPECT-CT and immunehistochemistry. Methods and results: An open thoracotomy took place for forty adult female Wistar rats with (n = 30) or without (n = 10) surgical ligation of the left anterior descending coronary artery (LAD) in order to cause myocardial ischemia. Myocardial viability was evaluated via SPECT/CT 7 days before surgery, as well as at 7 and 14 days post-surgery. At day 0, 15 animals received homologous stem cells injected at the ischemic myocardium area. A SPECT/CT evaluation showed decreased activity of the myocardial cells in the left ventricle one week post-infarction. Regeneration of the ischemic myocardium fifteen days post-infarction was recorded only in animals subjected to stem cell transplantation. These findings were also confirmed by histology and immunohistochemical analysis, with the significantly higher expression of GATA4 and Nkx2.5. Conclusions: The positive effect of mesenchymal stem cell transplantation in the ischemic myocardium was recorded. The application of SPECT-CT allowed a clear evaluation of both the quality and quantity of the living myocardium post-infarction, leading to a new approach in the research of cardiovascular diseases. From a clinical perspective, MSCT may be beneficial when accompanied by myocardial revascularization procedures.

Οι ισχαιμικές μυοκαρδιοπάθειες παραμένουν ένα μέγιστο ιατρικό πρόβλημα παγκοσμίως με υψηλό ποσοστό θνητότητας. Παρά τις πολυάριθμες προσπάθειες ερευνών και τα πολυάριθμα πειραματικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί στο πέρασμα των ετών, δεν έχει γίνει ακόμα απολύτως κατανοητό το πώς εγκαθίσταται το έμφραγμα του μυοκαρδίου οδηγώντας σε απώλεια μυοκαρδιακού ιστού. Επιπλέον, η αναγέννηση του μυοκαρδίου και η βελτίωση της μυοκαρδιακής δραστηριότητας μετά την ισχαιμία είναι ένα από τα πιο σημαντικά πεδία έρευνας και ενδιαφέροντος στην παγκόσμια ιατρική (και ειδικά την καρδιαγγειακή) κοινότητα. Διαπιστώθηκε η ευεργετική δράση της έγχυσης μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων σε ένα πρωτότυπο πειραματικό μοντέλο με ζωικό πρότυπο τον αρουραίο με χειρουργικά εγκατεστημένη ισχαιμία του μυοκαρδίου. Από κλινική σκοπιά αυτή η μελέτη υποστηρίζει τη χειρουργική εναπόθεση μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων στην ισχαιμική περιοχή κατά τη διάρκεια αορτοστεφανιαίας παράκαμψης. Η αναγέννηση του μυοκαρδίου και η βελτίωση της μυοκαρδιακής δραστηριότητας μετά την ισχαιμία είναι από τα μέγιστα πεδία ενδιαφέροντος στην καρδιαγγειακή έρευνα. Αναπτύχθηκε ένα νέο πειραματικό μοντέλο με χρήση αρουραίων και χρησιμοποιήθηκε για να αξιολογηθεί η δράση των μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων στη μυοκαρδιακή ισχαιμία με τη χρήση σπινθηρογραφήματος SPECT-CT και ανοσοϊστοχημείας. Σε ανοιχτή θωρακοτομή υποβλήθηκαν 40 θηλυκοί ενήλικες αρουραίοι εκ των οποίων οι 30 υπέστησαν ισχαιμική περίδεση του πρόσθιου κατιόντα κλάδου της στεφανιαίας αρτηρίας ενώ οι 10 όχι. Η βιωσιμότητα του μυοκαρδίου αξιολογήθηκε με σπινθηρογράφημα SPECT-CT επτά ημέρες πριν τη χειρουργική περίδεση καθώς και επτά και δεκατέσσερις ημέρες μετεγχειρητικά. Την ημέρα μηδέν (ημέρα χειρουργείου) τα 15 ζώα έλαβαν μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα με άμεση έγχυση διεγχειρητικά στο ισχαιμικό πεδίο που είχε εγκατασταθεί στην αριστερή κοιλία της καρδιάς. Η ανάλυση του σπινθηρογραφήματος SPECT-CT έδειξε μειωμένη δραστηριότητα των μυοκαρδιακών κυττάρων στην αριστερή κοιλία μια εβδομάδα μετά την πρόκληση ισχαιμίας. Η αναγέννηση του ισχαιμικού μυοκαρδίου δεκαπέντε ημέρες μετά το χειρουργείο διαπιστώθηκε μόνο στα ζώα που έλαβαν τα βλαστοκύτταρα. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με ιστολογική και ανοσοϊστοχημική ανάλυση με σημαντικά μεγαλύτερη έκφραση των GATA4 και Nkx2.5. Συμπερασματικά η θετική επίδραση της μεταμόσχευσης μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων στο ισχαιμικό μυοκάρδιο καταγράφηκε αδιαμφισβήτητα. Η χρήση σπινθηρογραφήματος SPECT-CT επέτρεψε μια ξεκάθαρη αξιολόγηση τόσο ποιοτική όσο και ποσοτική του ζωντανού μυοκαρδιακού ιστού μετά την πρόκληση ισχαιμίας οδηγώντας σε μια νέα προσέγγιση της έρευνας των καρδιαγγειακών παθήσεων. Από κλινικής πλευράς, η χρήση των μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων μπορεί να είναι ευεργετική όταν συνδυάζεται με τεχνικές επαναιμάτωσης του μυοκαρδίου.