Kardiovaskulær regeneration med mesenkymale stamceller

Man har i registerstudier estimeret, at 150.000-200.000 danskere har iskæmisk hjertesygdom (IHS), og at sygdommen årligt fører til ca. 33.000 indlæggelser og ca. 10.000 dødsfald. Tidlig behandling med medicin og revaskularisering med ballonudvidelse eller bypassoperation har reduceret dødeligheden betydeligt. En større gruppe af patienterne responderer dog ikke tilfredsstillende på de nævnte terapiformer, og svær angina og postinfarkt hjerteinsufficiens er et stort klinisk problem.

En relativ ny terapiform er behandling med stamceller, som har potentiale til at regenerere det syge væv [1]. Der har inden for kardiologien hidtil været fokus på at anvende den mononukleære cellefraktion (MNC) fra knoglemarven, som ud over stamceller også indeholder lymfocytter og monocytter. Stamcellefraktionen består overvejende af hæmatopoietiske stamceller og et mindre antal mesenkymale stamceller.

Der er lavet adskillige kliniske studier med MNC til patienter med akut eller kronisk IHS. Resultaterne har været modstridende. Nogle, men ikke alle studier, har vist positiv effekt på myokardiefunktionen og på patienternes symptomer. De modstridende resultater har ændret fokus mod brugen af mere specifikke stamcelletyper som den multipotente mesenkymale stamcelle eller stromale celle (MSC) [1].

Vi vil her give et overblik over kliniske og præ-kliniske studier, der omhandler MSC som behandling ved IHS.

Mesenkymale stromale celler

I de fleste studier har man anvendt MSC fra knoglemarven. MSC kan også isoleres fra fedtvæv, perifert blod og de fleste andre typer væv. I knoglemarven findes MSC i så små mængder, at det er nødvendigt at dyrke cellerne, før der er et tilstrækkeligt antal til at man kan foretage kliniske studier [2, 3]. MSC kan adskilles fra de øvrige celler i knoglemarven, idet de i modsætning til de øvrige celler adhærerer til plastik. Det er muligt at dyrke MSC in vitro, og man kan stimulere cellerne med forskellige vækstfaktorer, hvorved cellerne kan differentieres til forskellige celletyper såsom endotelceller og kardiomyocytter med flere [2-4]. Uden stimulation vil mikromiljøet i det væv, cellerne injiceres i, bestemme differentieringen [5].

En alternativ kilde til MSC er fedtvævsderiverede stamceller (ADSC). ADSC ligner biologisk meget MSC, der er isoleret fra knoglemarv, og synes at kunne differentiere i samme celleretninger [6]. Antallet af ADSC i fedtvæv er ca. 1.000 gange større end antallet af MSC i knoglemarv, hvilket nedsætter den tid cellerne skal dyrkes, før der er nok til klinisk behandling.

En vigtig egenskab ved MSC og ADSC er, at cellerne synes at være immuninkompetente, således at de ved allogen transplantation ikke udløser et immunologisk respons. Tværtimod har cellerne vist en hæmmende virkning på immunforsvaret. Dette udnyttes ved allogen knoglemarvstransplantation, hvor man ved at tilsætte MSC til de hæmatopoietiske stamceller har kunnet dæmpe det immunologiske respons og derved reducere graden af graft versus host disease [7].

Dyreeksperimentelle regenerative mesenkymale stamcellestudier

Effekten af behandling med MSC fra knoglemarv er undersøgt i en række studier af bl.a. grise, hunde og rotter med induceret myokardieinfarkt. Man har i disse studier set forbedring af hjertets pumpekraft, reduktion i mængden af arvæv og dannelse af nye blodkar i hjertet [1].

Behandling af rotter med induceret bagbensiskæmi med MNC og MSC har vist, at MSC-behandlede dyr fik bedre blodgennemstrømning i bagbenet og havde flere kapillærer sammenlignet med både MNC- og placebobehandlede dyr. MSC overlevede bedre i det iskæmiske miljø og differentierede til både endotelceller og vaskulære glat muskel-celler [8]. I et lignende forsøg med rotter med induceret myokardieinfarkt, gav behandling med MSC en større forbedring af hjertets pumpekraft end behandling med MNC [9].

MSC fra fedtvæv og knoglemarv blev sammenlignet i et studie af grise med induceret myokardieinfarkt. Forsøget viste den samme gavnlige effekt for begge celletyper [10]. Et tilsvarende studie af mus med induceret bagbensiskæmi viste, at MSC fra fedtvæv var mere potente end MSC fra knoglemarv [11].

Kliniske regenerative mesenkymale stamcellestudier

I de fleste af de kliniske studier er der anvendt autologe MNC fra knoglemarv, som har den fordel, at der ikke skal bruges tid på isolation og dyrkning af en speciel population af celler [1]. På den anden side har det at indgive en blanding af forskellige celler den ulempe, at andelen af stamceller, som er potentielt terapeutisk gavnlige, er meget lille. Det debatteres dog stadig, om den potentielle effekt skyldes stamcellerne, eller om den skyldes de cytokiner, der secerneres fra MNC, idet kun ca. 2% af cellerne i en sådan MNC-opløsning vil være stamceller.

De fleste af stamcellestudierne behandler patienter med ST-elevationsmyokardieinfarkt (STEMI). I disse studier er cellerne indgivet intrakoronart. For at cellerne skal kunne have en chance for at adhærere til og transmigrere igennem endotelet, stopper man ved denne metode blodtilførslen proksimalt for injektionen i ca. tre minutter ved hjælp af et ballonkateter [1].

I nogle af de nyere studier bruges intramyokardiel injektion ved NOGA XP-metoden. Ved denne metode danner man først en 3D-visualisering af venstre ventrikel. Denne visualisering gør det muligt nøjagtigt at se, hvor der er arvæv, og hvor der er normalt perfunderet væv (Figur 1A ). Man injicerer herefter cellerne direkte ind i myokardiet via et specielt kateter (Figur 1B). Injektionerne gives oftest i den iskæmiske zone mellem normalt væv og arvæv. Resultaterne fra et sammenlignende studie har vist, at den intramyokardielle metode er både intrakoronar og intravenøs indgift overlegen [12].

I de fleste af MNC-studierne har man fundet en positiv effekt af behandlingen i form af forbedret venstre ventrikel uddrivningsfraktion (LVEF), reduceret arvævsdannelse og færre symptomer. I det største af studierne, et dobbeltblindet studie af 204 STEMI-patienter, som modtog intrakoronar injektion, påviste man forbedret LVEF og reduceret mortalitet samt reduceret forekomst af reinfarkt og af hjertesvigt. Patienterne er indtil videre blevet fulgt i to år i dette studie, og resultaterne viser fortsat en gevinst ved stamcellebehandling [13].

Der foreligger kun få afsluttede kliniske fase I/II-studier med MSC-behandling af patienter med iskæmisk hjertesygdom (Tabel 1 ). I alle disse studier har man brugt MSC`er fra knoglemarv.

I et åbent randomiseret design blev MSC indsprøjtet intrakoronart hos 34 STEMI-patienter. Behandlingen var sikker og viste forbedret LVEF efter seks måneder [14]. Et lignende åbent studie med intrakoronar injektion af MSC hos 11 STEMI-patienter viste, at behandlingen var sikker, og at der var en forbedring i wall motion index og en reduktion af arvævet [15].

I et randomiseret studie blev 22 patienter med svært hjertesvigt og lukket koronararterie behandlet med intrakoronar injektion af MSC efter ballonudvidelse. Studiet viste forbedret LVEF, arbejdskapacitet og færre symptomer efter et år [16]. I et mindre studie blev otte patienter med hjertesvigt behandlet med intrakoronar injektion af MSC. Patienterne fik en forbedring af LVEF sammenlignet med kontrolpersoner [17].

Fem patienter, som alle havde implanterbar cardioverterdefibrillator-enhed pga. ventrikulær takykardi, fik i forbindelse med ballonudvidelse injiceret MSC intrakoronart. Der var i en 16-36 må-neders opfølgning ingen tilfælde af hverken sustained eller non-sustained ventrikulær takykardi, hvorfor der ikke syntes at være nogen arytmisk effekt af MSC-behandling [18].

Allogene MSC blev i et dobbeltblindet studie givet intravenøst til 39 patienter med nylig STEMI. Studiet - som er det første kliniske studie med allogene MSC - viste, at allogen MSC-behandling var sikker, og at MSC-behandlede patienter efter seks måneder havde færre symptomer, bedre LVEF, færre ventrikulære takykardiepisoder, samt bedre lungefunktion end placebobehandlede [19].

I et åbent pilotstudie på Rigshospitalet i København er 31 patienter med kronisk IHS behandlet med autologe MSC. Formålet var at teste, om det var sikkert og muligt at injicere MSC intramyokardielt i patienter med kronisk IHS og normal LVEF, hvor yderligere behandling med ballonudvidelse eller bypassoperation ikke var mulig, samt at undersøge den kliniske effekt af behandlingen. I studiet blev cellerne efter 6-8 ugers dyrkning injiceret direkte ind i myokardiet med NOGA XP-metoden (Figur 1). Den sidste uge i dyrkningsperioden blev cellerne stimuleret med vaskulær endotelial vækstfaktor for at påvirke cellerne i endotel retning. Behandlingen var sikker og uden bivirkninger. Efter seks måneder så man forbedret arbejdskapacitet, LVEF og systolisk vægtykkelse. Endvidere så man færre anginaanfald, nedsat forbrug af antianginøs medicin, samt forbedring i alle parametre i SeattleAngina Questionnaire .

På Rigshospitalet pågår nu et dobbeltblindet og placebokontrolleret studie, i hvilket MSC-behandling udføres med NOGA XP-metoden. I studiet behandles patienter med kronisk IHS og hjertesvigt. Det er planlagt, at 60 patienter skal indgå i studiet. Et andet klinisk studie, som er opstartet på Rigshospitalet, er et dobbeltblindet og placebokontrolleret studie med MSC fra fedtvæv. I dette studie indgår der også patienter med kronisk IHS, men uden hjertesvigt.

Diskussion

Der er gennemført flere mindre kliniske studier, de fleste ublindede, på patienter med STEMI, hjertesvigt og kronisk IHS, med både allogene og autologe MSC, der var isoleret fra knoglemarv. Resultaterne har generelt være positive med forbedret LVEF og forbedring af symptomer, hvilket indikerer en regenerativ effekt af behandlingen [1]. Det fremgår at databasen ClinicalTrials, hvor alle kliniske studier skal registreres, at der på verdensplan i april 2010 pågår ti kliniske behandlingsstudier, i hvilke man anvender MSC fra knoglemarv på patienter med hjertesygdom. To af studierne foregår på Rigshospitalet i København.

Der er ikke detekteret alvorlige bivirkninger til behandlingerne med hverken MNC eller MSC [1]. Stamcellebehandlingen er således tilsyneladende sikker. Det totale antal behandlede er dog ikke stort, så sikkerheden vil forsat være en vigtig måleparameter i kommende studier.

Stamcellebehandlingen inden for kardiologien er fortsat under afprøvning. Det er endnu uklart, hvilken type stamcelle og hvilken behandlingsmetode der er den optimale. For øjeblikket peger meget på, at injektion af stamceller direkte i myokardiet giver den bedste retention af cellerne, og at denne metode er sikker [20].

Der mangler fortsat resultater fra store kontrollerede kliniske studier, før det kan afgøres, om regenerativ behandling af hjertepatienter er en fremtidig behandlingsmulighed.

Jens Kastrup , Rigshospitalet, Kardiologisk Laboratorium 2014, 2100 København Ø. E-mail: jens.kastrup@rh.regionh.dk

Antaget: 25. juni 2010

Interessekonflikter: Ingen

1. Mathiasen AB, Haack-Sorensen M, Kastrup J. Mesenchymal stromal cells for cardiovascular repair: current status and future challenges. Future Cardiol 2009;5:605-17.
2. Haack-Sorensen M, Bindslev L, Mortensen S et al. The influence of freezing and storage on the characteristics and functions of human mesenchymal stromal cells isolated for clinical use. Cytotherapy 2007;9:328-37.
3. Haack-Sorensen M, Friis T, Bindslev L et al. Comparison of different culture conditions for human mesenchymal stromal cells for clinical stem cell therapy. Scand J Clin Lab Invest 2008;68:192-203.
4. Pittenger MF, Martin BJ. Mesenchymal stem cells and their potential as cardiac therapeutics. Circ Res 2004;95:9-20.
5. Wang JS, Shum-Tim D, Galipeau J et al. Marrow stromal cells for cellular cardiomyoplasty: feasibility and potential clinical advantages. J Thorac Cardiovasc Surg 2000;120:999-1005.
6. Murohara T, Shintani S, Kondo K. Autologous adipose-derived regenerative celles for therapeutic angiogenesis. Curr Pharma Design 2009;15:2784-90.
7. Le BK, Samuelsson H, Gustafsson B et al: Transplantation of mesenchymal stem cells to enhance engraftment of hematopoietic stem cells. Leukemia 2007;21:1733-8.
8. Iwase T, Nagaya N, Fujii T et al. Comparison of angiogenic potency between mesenchymal stem cells and mononuclear cells in a rat model of hindlimb ischemia. Cardiovasc Res 2005;66:543-51.
9. de Macedo Braga LM, Lacchini S, Schaan BD et al. In situ delivery of bone marrow cells and mesenchymal stem cells improves cardiovascular function in hypertensive rats submitted to myocardial infarction. J Biomed Sci 2008;15:365-74.
10. Valina C, Pinkernell K, Song YH et al: Intracoronary administration of autologous adipose tissue-derived stem cells improves left ventricular function, perfusion, and remodelling after acute myocardial infarction. Eur Heart J 2007;28:2667-77.
11. Kim Y, Kim H, Cho H et al. Direct comparison of human mesenchymal stem cells derived from adipose tissues and bone marrow in mediating neovascularization in response to vascular ischemia. Cell Phys iol Biochem 2007;20:867-76.
12. Freyman T, Polin G, Osman H et al. A quantitative, randomized study evaluating three methods of mesenchymal stem cell delivery following myocardial infarction. Eur Heart J 2006;27:1114-22.
13. Assmus B, Rolf A, Erbs S et al. Clinical outcome 2 years after intracoronary administration of bone marrow-derived progenitor cells in acute myocardial infarction. Circ Heart Fail 2010;3:89-96.
14. Chen SL, Fang WW, Ye F et al. Effect on left ventricular function of intracoronary transplantation of autologous bone marrow mesenchymal stem cell in patients with acute myocardial infarction. Am J Cardiol 2004;94:92-5.
15. Katritsis DG, Sotiropoulou PA, Karvouni E et al. Transcoronary transplantation of autologous mesenchymal stem cells and endothelial progenitors into infarcted human myocardium. Catheter Cardiovasc Interv 2005;65:321-9.
16. Chen S, Liu Z, Tian N et al. Intracoronary transplantation of autologous bone marrow mesenchymal stem cells for ischemic cardiomyopathy due to isolated chronic occluded left anterior descending artery. J Invasive Cardiol 2006;18:552-6.
17. Mohyeddin-Bonab M, Mohamad-Hassani MR, Alimoghaddam K et al. Autologous in vitro expanded mesenchymal stem cell therapy for human old myocardial infarction. Arch Iran Med 2007;10:467-73.
18. Katritsis DG, Sotiropoulou P, Giazitzoglou E et al. Electrophysiological effects of intracoronary transplantation of autologous mesenchymal and endothelial progenitor cells. Europace 2007;9:167-71.
19. Hare JM, Traverse JH, Henry TD et al. A randomized, double-blind, placebo-controlled, dose-escalation study of intravenous adult human mesenchymal stem cells (Prochymal) after acute myocardial infarction. J Am Coll Cardiol 2009;54:2277-86.
20. Baldazzi F, Ripa RS, Jørgensen E et al. release of bio-markers of myocardial damage after direct intramyocardial injection of gene and stem cells via the percutaneous transluminal route. Eur Heart J 2008;29:1819-26.