| Hypoxie ist einer der Hauptstimuli für die Bildung neuer Blutgefäße (Neo-Vaskulogenese). In einem hypoxischen Umfeld richten sich endotheliale kolonieformende Zellen (ECFCs) in tubulären Strukturen aus, welche sich mit dem bestehenden Blutgefäßsystem verbinden und so funktionelle perfundierte Gefäße bilden. Laut Lehrbuchmeinung hat die Bildung von neuen Gefäßen zur Folge, dass mesenchymale Stamm- und Progenitorzellen (MSPCs) angelockt werden, welche zur Gefäßstabilisierung beitragen. Bis jetzt jedoch hat die klinische Applikation von endothelialen Progenitorzellen noch nicht die erwarteten klinischen Effekte erzielt. Ausgehend von vorangehenden Publikationen, die gezeigt haben, dass ECFCs in vivo MSPCs brauchen um stabile Gefäße zu bilden, entstand die Hypothese, dass MSPCs eine wichtige Rolle bei der vaskulogenen Reaktion auf hypoxische Stimuli spielen. In unserer Arbeit zeigen wir, dass hypoxische MSPCs in vivo in erster Linie die Neo-Vaskulogenese durch einen Mechanismus einleiten der vom hypoxieinduzierbaren Transkriptionsfaktor (HIF) abhängig ist und erst in zweiter Linie zur Gefäßstabilisierung beitragen.
Adulte humane ECFCs und MSPCs wurden aus peripherem Blut beziehungsweise aus dem Knochenmark isoliert und unter humanisierten Bedingungen vermehrt. Wir untersuchten Phänotyp, Langzeitproliferation, HIF-Stabilisierung, Wundheilung, Migration und vaskulogene Funktionen der Progenitorzellen unter reduziertem Sauerstoff (5% O2), wie wir es in der Vene finden, unter hypoxischen Bedingungen (1% O2), wie im ischämischen Gewebe, und unter Standardkulturbedingungen (20% O2). Um ihre Interaktion in vivo zu testen, wurden ECFCs und MSPCs subkutan in Mäuse implantiert. Um die zellspezifische Rolle der Hypoxiesensorik während der Neo-vaskulogenese in vivo zu bestimmen, wurde in ECFCs und MSPCs HIF chemisch und genetisch inhibiert (YC-1 und mRNS). Um zu testen, ob HIF-1α -Zielproteine die Anwesenheit von MSPCs ersetzen können, wurden ausgewählte Wachstumsfaktoren und Zytokine im Mausmodell erprobt.
Proliferation und –Funktion der Progenitorzellen waren mit sinkendem Sauerstoffgehalt reduziert. HIF-1α wurde von ECFCs nur unter 1% O2 stabilisiert, während MSPCs HIF-1α schon unter 5% O2 stabilisierten. ECFCs, die in eine hypoxische Umgebung in NSG Mäuse transplantiert wurden, stabilisierten kein HIF-1α in vivo, während MSPCs alleine oder in Kotransplantaten zusammen mit ECFCs schon nach einem Tag in vivo ein starkes nukleares HIF-1α-Signal zeigten. Ohne MSPCs gingen ECFCs alleine in vivo innerhalb von 24 Stunden in Apoptose. Durch Inhibierung des HIF-1α -Zielproteins VEGF (vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor) konnte die Neo-vaskulogenese blockiert werden. Interessanterweise konnten trotz Substitution von VEGF weder ECFCs alleine, noch ECFCs plus HIF-depletierten MSPC die Gefäßbildung initiieren. Das Hinzufügen einer komplexen Mixtur von Plättchenfaktoren in vivo konnte jedoch zum Teil die vaskulogene Funktion von MSPCs ersetzen.
MSPCs reagieren schneller und sensitiver auf den niedrigen Sauerstoffgehalt durch Stabilisierung von HIF-1α. In der initialen Phase der Neo-vaskulogenese schützen MSPCs die ECFCs vor hypoxieinduzierter Apoptose und leiten unter Anderem auf diese Weise die Gefäßneubildung ein. Überraschenderweise findet die Neo-vaskulogenese unabhängig von endothelialer HIF Stabilisierung statt. Diese Resultate sprechen dafür, dass die Kotransplantation von MSPCs und ECFCs ein vielversprechendes zelluläres Therapeutikum für vaskuläre Regeneration ist. Die Beobachtung, dass VEGF alleine die gefäßinduzierende Funktion von MSPCs in vivo nicht ersetzen konnte, unterstreicht die Komplexität der hypoxieinduzierten Signaltransduktion. Die Tatsache, dass die HIF-1α Stabilisierung in MSPCs, jedoch nicht in ECFCs, eine entscheidende Rolle spielt, empfiehlt eine nähere Auseinandersetzung mit MSPCs als therapeutisches Ziel in der Regenerativmedizin und Anti-Tumortherapie.
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