Stratégie d'amélioration pour une régénération vasculaire efficace après un infarctus du myocarde grâce à une approche à double cellule souche

Experimental & Molecular Medicine volume 54, pages 1165–1178 (2022)Citer cet article

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Étant donné qu'une insuffisance de l'apport sanguin coronaire à la suite d'un infarctus du myocarde (IM) affecte négativement la fonction cardiaque, la néovascularisation thérapeutique est considérée comme l'une des principales stratégies thérapeutiques pour la réparation cardiaque cellulaire. Ici, pour obtenir plus efficacement une néovascularisation thérapeutique dans les cœurs ischémiques, nous avons développé une approche à double cellule souche pour une régénération vasculaire efficace en utilisant deux types distincts de cellules souches, les cellules endothéliales CD31 + dérivées de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC-EC) et conçues les cellules souches mésenchymateuses humaines qui sécrètent en continu le facteur-1α dérivé du stroma (SDF-eMSC), pour promouvoir simultanément la vasculogenèse et l'angiogenèse natales, deux mécanismes fondamentaux de la néovascularisation. Pour induire une régénération vasculaire plus complète, nous avons injecté par voie intramyocardique des hiPSC-EC pour produire des vaisseaux de novo, éventuellement via la vasculogenèse, et un patch cardiaque 3D encapsulant des SDF-eMSC (SDF-eMSC-PA) pour améliorer l'angiogenèse par la sécrétion prolongée de facteurs paracrines, y compris SDF-1α, a été implanté dans l'épicarde des cœurs ischémiques. Nous avons vérifié que les hiPSC-EC contribuent directement à la formation de vaisseaux de novo dans les cœurs ischémiques, ce qui améliore la fonction cardiaque. De plus, l'implantation concomitante de SDF1α-eMSC-PA a considérablement amélioré la survie, la rétention et le potentiel vasculogénique des hiPSC-EC, aboutissant finalement à une néovascularisation plus complète dans les cœurs MI. Il convient de noter que les vaisseaux nouvellement formés par l'approche à double cellule souche étaient significativement plus grands et plus fonctionnels que ceux formés par les hiPSC-EC seuls. En conclusion, ces résultats fournissent des preuves convaincantes que notre stratégie de régénération vasculaire efficace peut être un moyen efficace de traiter les cardiopathies ischémiques.

Les cardiopathies ischémiques (CI) sont l'une des principales causes de morbidité et de motilité dans le monde1. En particulier, l'infarctus du myocarde (IM), une forme représentative de l'IHD, endommage excessivement les muscles cardiaques et les vaisseaux sanguins2. Étant donné que les dommages aux vaisseaux coronaires sont l'une des étiologies physiopathologiques les plus critiques de l'IM, les approches à ce jour se sont concentrées sur la reconstitution d'un système vasculaire fonctionnellement perfusable dans le cœur ischémique par néovascularisation thérapeutique3. Malgré les résultats encourageants des études précliniques, les résultats obtenus des essais cliniques ultérieurs n'ont pas produit de résultats concluants cohérents. Une explication probable de cet écart entre les résultats précliniques et cliniques est l'incapacité à maintenir des niveaux optimaux de ciblage des facteurs angiogéniques dans la zone cible pendant une certaine durée pour une stimulation angiogénique prolongée, ce qui est techniquement difficile et considéré comme trop coûteux4.

Il est devenu plus largement admis que le système vasculaire perfusable peut être reconstruit dans le cœur ischémique par néovascularisation thérapeutique5. Plusieurs études antérieures ont souligné que la néovascularisation thérapeutique comprend généralement deux processus distincts, l'angiogenèse et la vasculogenèse. L'angiogenèse est définie comme la croissance de vaisseaux sanguins préexistants, et la vasculogenèse fait référence à la génération de novo de vaisseaux à partir de cellules endothéliales (CE), de cellules progénitrices endothéliales (EPC) ou d'autres types de cellules souches6. Étant donné que plusieurs études antérieures ont largement rapporté que l'induction de l'angiogenèse est efficace pour la régénération vasculaire, des efforts considérables ont été investis pour développer une stratégie efficace pour promouvoir l'angiogenèse myocardique pour traiter les cardiopathies ischémiques. Par exemple, dans un certain nombre de contextes précliniques, l'administration de facteurs proangiogéniques tels que le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF), le facteur de croissance des fibroblastes (FGF) et le facteur de croissance des hépatocytes (HGF) sous forme de protéines recombinantes, de plasmides d'ADN nu ou Il a été démontré que l'ARN VEGF modifié améliore considérablement la formation des vaisseaux sanguins, la fonction myocardique et le taux de survie à long terme, ce qui indique que la promotion de l'angiogenèse est une stratégie thérapeutique efficace pour traiter les cœurs défaillants.

Alors que l'angiogenèse est connue pour se produire pendant la vie embryonnaire et adulte, la vasculogenèse est considérée comme ne se produisant que pendant le développement embryonnaire7. Cependant, des preuves récentes suggèrent que la vasculogenèse ne se limite pas à l'embryogenèse précoce, mais peut également contribuer à la physiopathologie des maladies vasculaires dans la vie postnatale8. Ce concept est né de l'observation que les EC et les EPC coexistent dans la circulation et que de nouveaux vaisseaux sanguins se développent pendant la croissance tumorale. Cette identification d'EPC circulantes chez les vertébrés adultes a récemment suggéré un rôle fonctionnel pour plusieurs types de cellules dérivées de la moelle osseuse dans la vasculogenèse postnatale9. Par la suite, plusieurs études ont rapporté que la transplantation d'EPC, de cellules mononucléaires (MNC) et de cellules souches mésenchymateuses (MSC) induisait une néovascularisation thérapeutique dans les tissus ischémiques adultes10,11,12. Cependant, leur potentiel à se différencier en CE et à subir une vasculogenèse successive est sous-optimal car leurs principaux mécanismes impliquent des effets paracrines plutôt qu'une vasculogenèse de novo. Plus récemment, les EC dérivées de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC-EC), y compris les cellules souches embryonnaires humaines (hESC) et les cellules souches pluripotentes induites par l'homme (hiPSC), ont été suggérées comme nouvelle source cellulaire pour la vasculogenèse. Bien que les hPSC-EC aient présenté un potentiel vasculogénique relativement plus élevé que les autres cellules, leur capacité à induire une vasculogenèse est encore insuffisante et inefficace13,14,15. Par exemple, une étude récente appliquant les hPSC-EC dans un modèle d'ischémie du membre postérieur a démontré qu'il fallait plusieurs mois pour former des vaisseaux sanguins fonctionnels dans le tissu ischémique, suggérant le potentiel limité des hPSC-EC dans la vasculogenèse. Par conséquent, pour que les hPSC-EC soient utilisées plus efficacement pour la néovascularisation thérapeutique dans les tissus ischémiques, une méthode innovante pour promouvoir le potentiel vasculogénique doit être développée.

Par conséquent, dans la présente étude, nous avons développé une stratégie pour reconstruire efficacement le système vasculaire dans les cœurs ischémiques en utilisant deux types distincts de sources cellulaires, les CD31 + hiPSC-EC et les MSC génétiquement modifiés dérivés de la moelle osseuse humaine qui sécrètent en continu le facteur 1α dérivé du stroma. (SDF-eMSC) dans un patch cardiaque tridimensionnel (3D) implanté dans l'épicarde des cœurs induits par l'IM. Nous émettons l'hypothèse que les hiPSC-EC injectés par voie intramyocardique produiraient des vaisseaux de novo via la vasculogenèse, alors que les patchs SDF-eMSC implantés épicardiquement (SDF-eMSC-PA) amélioreraient simultanément l'angiogenèse des vaisseaux hôtes, en accord avec la sécrétion de facteurs paracrines angiogéniques, en particulier SDF, dans les cœurs induits par l'IM. Étant donné que la base de la néovascularisation native ne se limite pas à l'angiogenèse mais inclut également la vasculogenèse postnatale, nous avons estimé que les stratégies ciblant la néovascularisation thérapeutique devraient être axées sur l'induction globale de tous ces processus ensemble pour accomplir une véritable régénération vasculaire dans les cœurs ischémiques. Pour utiliser les SDF-eMSC-PA comme réservoir cellulaire pour sécréter plusieurs cytokines bénéfiques, y compris SDF-1α, nous avons utilisé un hydrogel de matrice extracellulaire dérivée du cœur (hdECM) pour récapituler le microenvironnement spécifique au tissu cardiaque aussi étroitement que possible. Par la suite, nous avons démontré que notre double approche cellulaire avec les hiPSC-EC et les SDF-eMSC-PA entraînait une amélioration significative de la formation des vaisseaux et une fonction cardiaque améliorée. Ces résultats suggèrent des implications thérapeutiques importantes pour la régénération vasculaire dans les cœurs ischémiques.

Le hdECM a été préparé comme décrit précédemment16,17. En bref, du tissu cardiaque d'un porc domestique coréen âgé de 6 mois a été acheté sur un marché de produits d'élevage avec l'approbation du fournisseur. Nous avons disséqué le ventricule gauche du cœur de porc complet et l'avons coupé en petits morceaux. Les petits morceaux de tissu cardiaque ont été trempés dans une solution à 1% de dodécylsulfate de sodium (Affymetrix, CA) pendant 48 h, suivis d'un traitement avec une solution à 1% de Triton X-100 dans du PBS (Biosesang, Corée) pendant 1 h. Ensuite, les tissus décellularisés ont été plongés dans du PBS pendant 3 jours pour éliminer le détergent résiduel. Par la suite, les tissus cardiaques décellularisés ont été lyophilisés, pulvérisés dans de l'azote liquide et digérés dans 10 ml de solution d'acide acétique 0,5 M (Merck Millipore, Billerica, MA) à une concentration finale de 3,3 % p/v (330 mg de poudre de hdECM) avec 33 mg de poudre de pepsine. La solution de hdECM digérée a été filtrée à travers une maille de pores de 40 µm, aliquotée dans 1 ml et stockée à -20 ° C pour d'autres expériences. Avant la fabrication des patchs cardiaques, la solution de hdECM a été ajustée à un pH neutre de 7,4 en ajoutant une solution de NaOH 10 N tout en gardant le tube conique dans un seau à glace pour éviter la gélification de hdECM.

Toutes les études sur les animaux ont été approuvées par le Comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux (IACUC) de l'Université catholique de Corée (numéro d'approbation : CUMC-2020-0051-01). L'IACUC et le Département des animaux de laboratoire (DOLA) de l'Université catholique de Corée, Campus de Songeui, ont accrédité le Korea Excellence Animal Laboratory Facility de la Korea Food and Drug Administration en 2017 et ont acquis l'accréditation complète de l'AAALAC International en 2018. Toutes les procédures animales étaient conformes aux directives de Directive 2010/63/UE du Parlement européen sur la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques ou les lignes directrices du NIH. Des rats Fischer 344 (160–180 g, mâle, Koatec, Corée) ont été anesthésiés avec de l'isoflurane inhalé à 2 % et intubés par la trachée avec un cathéter intraveineux de calibre 18. Les rats ont ensuite été ventilés mécaniquement avec un respirateur pour rongeurs (55-7058, Harvard Apparatus, Canada). Les animaux ont été placés sur un coussin chauffant à 37 ° C pour éviter le refroidissement pendant la procédure. Après rasage du thorax et stérilisation à l'alcool à 70%, nous avons réalisé une thoracotomie gauche. L'IM a été induit en nouant une suture avec un tube stérile en polyéthylène glycol (22 G) placé dans l'artère interventriculaire antérieure gauche (LAD) pendant 1 min, et le nœud a été ligaturé de façon permanente à l'aide d'une suture de prolène 7-0. Pour établir la fonction ventriculaire gauche de base, nous avons examiné la fraction d'éjection (FE) après le jour opératoire (POD) 7 (critère d'inclusion : FE < 45 % sur la base d'une évaluation échocardiographique). Les rats ont été à nouveau anesthésiés le lendemain par inhalation d'isoflurane, intubés et ventilés mécaniquement. Le coffre de l'animal a été rouvert et le péricarde a été partiellement retiré du cœur infarci. Cinq groupes expérimentaux comme suit : (1) contrôle fictif, (2) contrôle MI, (3) épicarde implanté SDF-eMSC-PA des cœurs MI (PA uniquement, 1 × 106), (4) hiPSC-EC, injection intramyocardique ( EC uniquement, 1 × 106) et (5) plate-forme combinée de hiPSC-EC et SDF-eMSC-PA (EC + PA, 1 × 106 chacun). Les hiPSC-EC ont été injectés à deux sites différents dans la zone frontalière du cœur infarci et les patchs cardiaques 3D (diamètre : 1 cm) ont été implantés directement sur l'épicarde à l'aide de trois sutures. Le thorax a été fermé de manière aseptique et des antibiotiques et une solution saline normale à 0,9 % ont été administrés. Tous les rats ont reçu les immunosuppresseurs suivants, comme décrit précédemment :18,19 azathioprine, 2 mg/kg ; cyclosporine A, 5 mg/kg; et méthylprednisolone, 5 mg/kg par jour.

Les animaux ont été légèrement anesthésiés à l'isoflurane et maintenus à 37°C à l'aide d'un coussin chauffant. L'évaluation de l'amélioration fonctionnelle des tissus cardiaques lésés a été réalisée par échocardiographie comme nous l'avons décrit précédemment20,21. Les rats ont été légèrement anesthésiés avec de l'isoflurane inhalé et les données physiologiques ont été enregistrées à l'aide d'un système d'échocardiographie transthoracique équipé d'un transducteur linéaire 15 MHz L15-7io (Affniti 50 G, Philips). Des échocardiogrammes en série ont été effectués avant, 2, 4 et 8 semaines après le traitement cellulaire. L'opérateur d'échocardiographie a été aveuglé à l'attribution du groupe au cours de l'expérience.

Des mesures hémodynamiques ont été effectuées 8 semaines avant l'euthanasie. Après thoracotomie sans saignement, l'apex VG du cœur a été ponctionné avec une aiguille de calibre 26, et un cathéter de conductance 2 F (SPR-838, Millar) a été inséré dans le VG. Les paramètres de pression-volume (PV) LV ont été enregistrés en continu à l'aide d'un système de conductance PV (MPVS Ultra, EMKA Technologies, Paris, France) couplé à un convertisseur numérique (PowerLab 16/35, ADInstruments, Colorado Springs, CO). Des mesures indépendantes de la charge de la fonction cardiaque, y compris les pentes de la relation pression-volume télésystolique (ESPVR) et de la relation pression-volume télédiastolique (EDPVR), ont été obtenues avec différentes précharges, qui ont été obtenues via la veine cave inférieure transitoire (VCI) occlusion avec un porte-aiguille. Une aliquote de 50 µl de solution saline hypertonique (20 % NaCl) a été injectée dans la veine jugulaire gauche pour calculer la conductance parallèle après les mesures hémodynamiques. Le sang a été prélevé du ventricule gauche dans une seringue héparinée et placé dans des cuvettes pour convertir le signal de conductance en volume à l'aide du cathéter. Le volume absolu du rat a été défini en calibrant la conductance parallèle et la conductance de la cuvette.

Pour la détermination de la fibrose circonférentielle et du myocarde viable, la coloration au trichrome de Masson (Sigma, St. Louis, MO, USA) a été réalisée comme suit. En bref, trois lames de paraffine ont été préincubées dans une étuve sèche à 37 ° C avant déparaffinage et réhydratation. Les coupes de paraffine ont ensuite été refixées pendant une heure dans une solution de Bouin à 56°C. Ces sections ont été colorées en utilisant une solution d'hématoxyline de fer de Weigert pendant 15 min à température ambiante et ensuite colorées avec une solution de fuchsine acide écarlate de Biebrich pendant 20 min à température ambiante. Enfin, les coupes ont été contre-colorées avec du bleu d'aniline pendant 15 min, suivies d'une incubation d'acide acétique à 1 % pendant 1 min à température ambiante. Des lavages intensifs ont été effectués entre chaque étape. Par la suite, l'imagerie des coupes cardiaques a été réalisée avec un scanner de diapositives (Pannoramic MIDI). Le rapport de la fibrose a été calculé comme la surface de la fibrose à la surface de la circonférence du VG [(surface de l'infarctus/surface de la paroi du VG) * 100]. En outre, le rapport du myocarde viable a été quantifié comme la zone de myocarde viable dans la zone de l'infarctus où la paroi VG est dilatée et la zone fibrotique est exposée. [(zone viable du myocarde/zone de l'infarctus) * 100]. Les deux mesures ont été effectuées à l'aide du logiciel ImageJ.

Toutes les données quantitatives sont présentées sous forme de moyenne ± ET, sauf indication contraire. Les différences significatives entre les deux groupes ont été analysées par des tests t de Student bilatéraux. Les différences significatives entre les 4 groupes ont également été analysées par ANOVA avec l'analyse post-hoc de Bonferroni. Les résultats ont été considérés comme statistiquement significatifs lorsque la valeur p était inférieure à 0,05.

Plusieurs études antérieures ont rapporté une génération réussie d'EC à partir de hiPSC (hiPSC-EC) en utilisant une combinaison de petites molécules, y compris un inhibiteur de GSK322. Sur la base de rapports précédents, nous avons généré des hiPSC-EC à partir de hiPSC à l'aide de l'inhibiteur de GSK3 CHIR99021 (matériel et méthodes supplémentaires, Fig. 1a supplémentaire). Pour produire des hiPSC-EC exprimant la protéine de fluorescence verte (GFP) afin de faciliter le suivi des cellules dans les tissus cardiaques dans d'autres expériences, nous avons produit des hiPSC exprimant des signaux GFP en transfectant des particules lentivirales GFP, les avons enrichis en FACS basés sur l'expression de GFP et les avons utilisés pour différencier dans les CE (Fig. 1b supplémentaire). Les résultats de la qRT-PCR ont vérifié que le niveau d'expression d'OCT4, un marqueur de pluripotence, était significativement réduit et que le niveau d'expression de CD31, un marqueur spécifique de l'EC, était significativement augmenté dans les hiPSC se différenciant dans la lignée EC (Fig. 1c supplémentaire, Tableau supplémentaire 1). Au jour 7 de la différenciation, nous avons observé qu'environ 25, 08% des hiPSC-EC en cours de différenciation étaient positifs pour l'anticorps CD31 humain, et par la suite, nous avons enrichi ces cellules CD31 + par FACS. Après FACS, les CD31 + hiPSC-EC enrichis ont été maintenus dans un milieu sans sérum endothélial humain avec des cytokines, y compris le VEGF, pour conserver leurs caractéristiques en tant que cellules de la lignée EC (Fig. 1c supplémentaire). Les hiPSC-EC CD31 + affichaient une morphologie EC typique de type pavé et exprimaient des niveaux d'ARNm similaires de marqueurs spécifiques à l'EC, tels que le cluster de différenciation 31 (CD31), la cadhérine endothéliale vasculaire (VE-Cadherin), le facteur Von Willebrand (vWF) et récepteur 2 du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGFR2), par rapport aux cellules endothéliales du cordon ombilical humain (HUVEC) (Fig. 1c, d supplémentaires). Les résultats de l'analyse par cytométrie en flux ont en outre démontré que les CD31 + hiPSC-EC étaient positifs à 97, 19% et 85, 53% pour CD31 et CD144, respectivement (Fig. 1e supplémentaire). De plus, les résultats d'immunofluorescence ont confirmé que les CD31 + hiPSC-EC exprimaient des niveaux abondants de protéines CD31 et vWF (Fig. 1f supplémentaire). Au niveau fonctionnel, les CD31 + hiPSC-EC ont montré la capacité d'absorption d'Ac-LDL (Fig. 1g supplémentaire) et la formation d'un réseau de type capillaire au-dessus de Matrigel (Fig. 1h supplémentaire).

Pour déterminer si les CD31 + hiPSC-EC (hiPSC-EC par la suite) pouvaient former des vaisseaux de novo via un mécanisme dépendant de la vasculogenèse dans les cœurs induits par l'IM, nous avons injecté par voie intramyocardique des hiPSC-EC à deux sites différents dans la zone frontalière de l'induit par l'IM. coeurs de rats. MI a été généré par la ligature de l'artère interventriculaire antérieure gauche (LAD) dans le cœur. Les hiPSC-EC exprimant en continu le signal de fluorescence verte (GFP) ont été utilisés à des fins de suivi. Pour visualiser les vaisseaux fonctionnels dans les cœurs induits par l'IM, nous avons effectué une coloration de perfusion avec l'isolection-B4 (IB4) conjugué à un colorant fluorescent rouge, la rhodamine, dans le cœur avant la récolte des tissus 8 semaines après l'injection de hiPSC-EC. Les analyses d'images fluorescentes ont montré que le nombre de capillaires IB4 + dans les cœurs injectés par hiPSC-EC était significativement plus élevé que celui des cœurs témoins MI (Fig. 1a).

a Images représentatives de vaisseaux sanguins colorés avec IB4-rhodamine (rouge) dans la zone d'infarctus, la zone frontalière et la zone éloignée et à 8 semaines après l'injection de hiPSC-EC et leur résumé de quantification. Pour la quantification, le nombre de capillaires dans cinq champs sélectionnés au hasard (mm2) dans chaque cœur a été compté. n = 5. *p < 0,05. Barres d'échelle : 100 µm. b Image représentative des vaisseaux sanguins nouvellement formés par iPSC-ECs-GFP (vert), IB4-rhodamine (rouge) et DAPI (bleu). Barres d'échelle : 20 µm. c – j Les rats subissant un IM ont reçu une injection intramyocardique de hiPSC-EC ou de cellules témoins, suivie d'une analyse par échocardiographie. c La chronologie schématique de la modélisation MI et de la transplantation d'iPSC-EC à la mesure de la fonction cardiaque. d Fraction d'éjection ventriculaire gauche (EF), (e) raccourcissement fractionnaire gauche (FS), (f) dimension diastolique interne ventriculaire gauche (LVIDd), (g) dimension systolique interne ventriculaire gauche (LVID), (h) épaisseur de la paroi septale ( SWT), (i) l'épaisseur de la paroi postérieure (PWT) et (j) l'épaisseur relative de la paroi (RWT). n = 6. *p < 0,05. k Images représentatives montrant une fibrose cardiaque après coloration au trichrome de Masson dans les cœurs récoltés 8 semaines après le traitement cellulaire. Résultats de quantification de la fibrose cardiaque (l) et du myocarde viable (m). n = 5. *p < 0,05. Barres d'échelle : 2000 µm.

Ensuite, pour évaluer le potentiel et l'ampleur de la contribution des hiPSC-EC à la vasculogenèse dans les cœurs MI, nous avons tracé les signaux GFP et RFP des hiPSC-EC dans les tissus cardiaques. Les images de microscopie confocale ont démontré un nombre considérable de vaisseaux, doublement positifs pour les signaux IB4 et GFP des hiPSC-EC, dans la région de l'infarctus des tissus cardiaques recevant les hiPSC-EC à 8 semaines après l'injection. Fait intéressant, un nombre important de hiPSC-EC ont été incorporés dans le réseau capillaire de l'hôte, et beaucoup d'entre eux étaient situés dans la zone périvasculaire (Fig. 1b). Les résultats suggèrent clairement que les hiPSC-EC pourraient reconstruire les vaisseaux de novo dans les cœurs ischémiques.

Étant donné que la régénération vasculaire améliorée par la vasculogenèse conduit à une récupération fonctionnelle de l'IM, nous avons émis l'hypothèse que l'injection intramyocardique de hiPSC-EC dans les cœurs MI pourrait favoriser la fonction cardiaque. Par la suite, nous avons effectué une échocardiographie en série pour évaluer la fonction ventriculaire gauche (LV) et le remodelage cardiaque à partir du PRE (1 semaine après l'IM et avant le traitement cellulaire) et 2, 4 et 8 semaines après le traitement cellulaire. Dans cette étude, nous avons utilisé un modèle d'IM dans lequel les cellules ont été transplantées une semaine après l'induction de l'IM pour imiter le plus possible la situation clinique des patients atteints d'IM. Les résultats de l'échocardiographie ont démontré que la fraction d'éjection (EF) et le raccourcissement fractionnaire (FS) dans tous les groupes expérimentaux étaient significativement inférieurs par rapport au groupe fictif qui n'a reçu aucune intervention. (Fig. 2a–g supplémentaires). Il est important de noter que les cœurs recevant des hiPSC-EC affichaient une EF et une FS significativement plus élevées que celles du groupe témoin MI jusqu'à 8 semaines après le traitement cellulaire (Fig. 1c – d). Parmi plusieurs paramètres de remodelage cardiaque, tels que la dimension diastolique interne du ventricule gauche (LVIDd), la dimension systolique interne du ventricule gauche (LVISd), l'épaisseur de la paroi septale (SWT), l'épaisseur de la paroi postérieure (PWT) et l'épaisseur relative de la paroi (RWT), la Les LVIDd et LVID dans les cœurs traités par hiPSC-EC étaient significativement inférieurs à ceux des cœurs témoins MI, ce qui indique que les hiPSC-EC protégeaient les cœurs d'un remodelage cardiaque indésirable. (Fig. 1e – i et Fig. 2h supplémentaire). De même, les résultats de la coloration au trichrome de Masson obtenus à l'aide de tissu cardiaque récolté 8 semaines après le traitement cellulaire ont montré que la zone de fibrose (%) dans le groupe injecté par hiPSC-EC était considérablement plus petite et que le myocarde viable (%) était plus grand que que dans le groupe témoin MI (Fig. 1j–m). Sur la base de ces résultats, nous avons confirmé que les hiPSC-EC peuvent directement contribuer à la formation de vaisseaux de novo in vivo dans les cœurs exposés à l'IM, ce qui améliore la fonction cardiaque.

Par la suite, nous avons étudié notre hypothèse centrale de savoir si l'induction simultanée de la vasculogenèse et de l'angiogenèse pourrait conduire à une régénération vasculaire complète et à une amélioration fonctionnelle des MIhearts. Puisque nous avons déjà vérifié que les hiPSC-EC obtenaient avec succès une vasculogenèse dans les cœurs MI, nous avons cherché à identifier une source cellulaire supplémentaire pouvant induire une angiogenèse complémentaire à partir des vaisseaux sanguins du cœur hôte et avons finalement décidé de tester des cellules souches mésenchymateuses humaines génétiquement modifiées conçues pour libèrent en continu la protéine SDF-1α humaine (SDF-eMSC)23. Les SDF-eMSC étaient impossibles à distinguer des BM-MSC normaux. Les SDF-eMSC présentaient une morphologie cellulaire homogène en forme de fuseau, représentant les hMSC (matériel et méthodes supplémentaires, Fig. 3a supplémentaire). Les SDF-eMSC avaient un potentiel prolifératif élevé basé sur l'augmentation progressive des niveaux de doublement de la population (PDL) pendant les périodes de culture par rapport aux BM-MSC normaux24 (Fig. 3b supplémentaire). Les SDF-eMSC ont exprimé plusieurs marqueurs spécifiques des MSC humains, tels que CD90, CD44, CD105 et CD73, sans l'expression de CD34, CD11b, CD19, CD45 et HLA-DR (Fig. 3c supplémentaire). Les SDF-eMSC ont sécrété de manière stable la protéine SDF-1α humaine, comme déterminé par l'analyse ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) SDF-1α humaine (Fig. 3d supplémentaire). Les résultats du caryotypage SDF-eMSC ont révélé un caryotype humain normal des SDF-eMSC sans anomalies chromosomiques, suggérant la stabilité génétique des SDF-eMSC (Fig. 3e supplémentaire).

Pour déterminer si les SDF-eMSC pourraient augmenter le potentiel angiogénique des CE, nous avons effectué divers types d'analyses expérimentales in vitro avec les SDF-eMSC. Parmi les premiers, pour déterminer si les SDF-eMSC influençaient l'expression génique associée aux EC et aux propriétés angiogéniques, nous avons traité 30 % de milieux conditionnés (CM) récoltés à partir de SDF-eMSC ou de BM-MSC en culture avec les hiPSC-EC en culture pendant 3 jours et ont effectué des analyses qRT-PCR. Les niveaux d'expression du facteur 1 alpha dérivé du stroma (SDF-1α), de la tyrosine kinase avec Ig et du domaine d'homologie 2 du facteur de croissance épidermique (Tie-2), du vWF, de la sélectine E (CD62) et de la molécule d'adhésion intercellulaire-1 ( ICAM-1) étaient significativement plus élevés dans les hiPSC-EC traités avec SDF-eMSC-CM que dans les hiPSC-EC exposés à BM-MSC-CM (Fig. 2a). En particulier, l'augmentation de l'expression de la sélectine E et de l'ICAM-1 est connue pour être impliquée dans l'angiogenèse en présence d'EC activées25,26,27,28,29. Ensuite, dans les tests de migration EC, comme le montre la figure 2, l'ajout de milieux conditionnés à partir des SDF-eMSC (SDF-eMSC-CM) a considérablement amélioré la migration des hiPSC-EC ou des HUVEC par rapport à la migration des EC traités avec CM à partir de MSC dérivés de la moelle osseuse humaine (BM-MSC-CM), suggérant que les cytokines libérées par les SDF-eMSC renforcent la mobilité des CE (Fig. 2b et Fig. 4a supplémentaire). En outre, pour tester si les SDF-eMSC favorisent directement le potentiel angiogénique des CE, nous avons effectué des tests de formation de tubes Matrigel, une expérience représentative pour évaluer le potentiel de formation de vaisseaux des cellules. Les résultats des tests de formation de tubes Matrigel ont démontré que le nombre de branches formées à la fois dans les hiPSC-EC et les HUVEC traités avec 30 % de CM récoltés à partir des SDF-eMSC en culture était significativement supérieur à celui des EC traités par BM-MSC-CM. (Fig. 2c et Supplémentaire Fig. 4b). Fait intéressant, le traitement avec SDF-eMSC-CM a non seulement favorisé la formation de tubes par les hiPSC-EC, mais a également contribué au maintien des vaisseaux formés à partir des hiPSC-EC. Contrairement aux vaisseaux générés par hiPSC-EC exposés au BM-MSC-CM qui ont commencé à perturber la structure du vaisseau dans les 24 h suivant la formation du vaisseau, le traitement avec SDF-eMSC-CM a soutenu l'intégrité des vaisseaux jusqu'à 48 h.

une analyse qRT-PCR de l'expression relative de l'ARNm associée aux EC et à l'angiogenèse dans les hiPSC-EC traités avec le milieu conditionné (CM) à partir de cellules souches mésenchymateuses de moelle osseuse en culture (BM-MSC-CM) ou de MSC modifiés par SDF (SDF-eMSC- CM) pendant 3 jours. L'axe y représente l'expression relative de l'ARNm des gènes cibles à la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH). n = 3. *p < 0,05. b Test de migration EC. Images représentatives des hiPSC-EC migrés et quantification de la zone migrée (%). Les hiPSC-EC ont été placés dans des transwells (en haut) et des milieux réguliers (EGM, EBM) ou des milieux conditionnés (CM) collectés à partir de différentes sources cellulaires (BM-MSC-CM et SDF-eMSC-CM) ont été placés dans des transwells ( bas) pendant 7 h. n = 3. *p < 0,05. c Essai de formation de tubes. Les hiPSC-EC ont été cultivés dans des plaques à 24 puits recouvertes de Geltrex ™ avec des milieux réguliers (EGM, EBM) ou des milieux conditionnés (CM) (BM-MSC-CM et SDF-eMSC-CM) pendant 9, 24 ou 48 h . Images représentatives de la formation du tube et résumé de la quantification pour le nombre de jonctions. n = 3. *p < 0,05.

Pour fournir un réservoir cellulaire où les SDF-eMSC-PA peuvent constamment libérer du SDF-1α dans les cœurs MI, nous avons produit un patch encapsulant le SDF-eMSC (SDF-eMSC-PA) en mélangeant des SDF-eMSC avec un extracellulaire décellularisé à 2 % dérivé du cœur. bioink à base de matrice (hdECM) et chargé sur le maillage de polycaprolactone (PCL) (Fig. 3 et Fig. 5 supplémentaire). Par la suite, pour confirmer si les SDF-eMSC-PA sont fonctionnels et peuvent libérer efficacement le SDF-1α, nous avons cultivé des SDF-eMSC-PA in vitro pendant 28 jours (Fig. 5a supplémentaire) et collecté des surnageants à différents moments pendant trois jours pour générer la cinétique de libération des SDF1α-eMSC-PAs à l'aide du kit ELISA SDF-1α. La courbe de libération cumulée a montré que bien que la concentration initiale de SDF-1α était plus élevée dans les SDF-cytokine-PA (300 ng/ml) que dans les SDF-eMSC-PA au jour 0, aucun SDF-1α n'était détectable dans le SDF -cytokine-PAs à partir du jour 7. Cependant, l'expression de SDF-1α libérée par les SDF-eMSC-PAs a augmenté de manière constante jusqu'au jour 21 (Fig. 5b supplémentaire), ce qui suggère que les SDF-eMSCs sécrètent en continu SDF-1α dans le patch.

a Procédures de fabrication d'un patch cardiaque encapsulant des MSC conçues par SDF (SDF-eMSC-PA) avec une plate-forme de polycaprolactone (PCL) produite par un système d'impression 3D. b Image optique dans le patch hdECM. Les SDF-eMSC-PA ont été prémarqués avec le colorant de fluorescence rouge DiI pour le traçage. Barres d'échelle : 1 mm. c Image de SDF-eMSC-PA transplantés épicardiquement dans le cœur induit par l'IM. d Vue macroscopique des cœurs à 8 semaines après la transplantation d'AP.

Pour enfin déterminer si l'induction simultanée de la vasculogenèse et de l'angiogenèse à l'aide de hiPSC-EC et de SDF-eMSC-PA pourrait conduire à une régénération vasculaire complète et à une amélioration fonctionnelle des cœurs induits par l'IM, nous avons induit l'IM par ligature LAD après la formation de cinq groupes expérimentaux comme suit : (1) contrôle MI, (2) épicarde implanté SDF-eMSC-PA des cœurs MI (PA uniquement, 1 × 106), (3) hiPSC-EC, injection intramyocardique (EC uniquement, 1 × 106) et (4) plate-forme combinée de hiPSC-EC et SDF-eMSC-PA (EC + PA, 1 × 106 chacun) (Fig. 4). Nous avons d'abord effectué une échocardiographie en série pour tous les groupes expérimentaux avant, 2, 4 et 8 semaines après le traitement cellulaire. Tous les groupes expérimentaux ont été significativement réduits par rapport à ceux du groupe fictif (Fig. 6a – g supplémentaire). Fait intéressant, la fonction cardiaque dans le groupe EC + PA a été significativement préservée jusqu'à 8 semaines par rapport à sa fonction cardiaque au pré, mais la fonction cardiaque dans d'autres groupes, tels que le contrôle, les groupes hiPSC-EC seuls et SDF-eMSC-PA seuls, diminue continuellement jusqu'à 8 semaines. (Fig. 4a–d). Le remodelage cardiaque défavorable déterminé par les LVIDd, LVID, SWT, PWT et RWT a été considérablement réduit dans le groupe EC + PA par rapport aux autres groupes (Fig. 4e – i et Supplémentaire Fig. 6h). Pour évaluer plus précisément la fonction cardiaque, nous avons effectué des mesures hémodynamiques du VG à l'aide d'un cathéter invasif pression-volume (PV), qui peut mesurer la pression hémodynamique et le volume du VG. Les résultats de la boucle PV à 8 semaines après le traitement cellulaire ont montré que le groupe EC + PA avait significativement amélioré la fonction cardiaque et prévenu le remodelage cardiaque indésirable par rapport aux autres groupes (Fig. 5). Les deux paramètres de la fonction cardiaque générale, le volume systolique (SV) et le débit cardiaque (CO), étaient significativement plus élevés (Fig. 5a–c), et le volume maximal (V max), qui est l'indice de remodelage cardiaque mesuré au maximum diastole, était significativement plus faible dans le groupe EC + PA que dans les autres groupes (Fig. 5d). Bien que la pression max (P max) mesurée à la systole maximale ne diffère pas significativement entre les groupes, le taux maximal de changement de pression (dP/dtmax) et le taux minimal de changement de pression (dP/dtmin), qui indiquent le changement de pression dans LV par seconde, ont été augmentés dans le groupe EC + PA. (Fig. 5e – f et Fig. 7a supplémentaire). La variation temporelle de la veine cave inférieure occluse (VCI) a été utilisée pour évaluer la contractibilité cardiaque intrinsèque indépendante de la charge. La relation pression-volume télédiastolique (EDPVR), qui indique l'absence de dysfonctionnement diastolique, ne différait pas entre les groupes, tandis que la pente de la relation pression volume télésystolique (ESPVR), qui indique la contractibilité cardiaque, était significativement améliorée dans le groupe EC + PA par rapport aux autres groupes (Fig. 5g – h et Fig. 7b supplémentaire). Collectivement, ces résultats de mesures hémodynamiques LV démontrent de manière cohérente que le traitement avec la plate-forme combinée avec hiPSC-EC et SDF-eMSC-PA améliore la réparation cardiaque dans les cœurs MI.

a Fraction d'éjection ventriculaire gauche (FE). b Changement delta EF à 8 semaines après le traitement cellulaire. c Raccourcissement fractionnaire gauche (FS). d Modification du delta FS à 8 semaines après le traitement cellulaire. e Dimension diastolique interne ventriculaire gauche (LVIDd). f Dimension systolique interne ventriculaire gauche (LVID). g Épaisseur de la paroi septale (SWT). h Épaisseur de la paroi postérieure (PWT). i Épaisseur relative de paroi (RWT). n = 6–11. *p < 0,05.

a Images représentatives de la courbe de pression et de volume hémodynamique (PV) à l'état d'équilibre 8 semaines après le traitement cellulaire. b Volume systolique (SV). c Débit cardiaque (DC). d Volume max (V max) définissant la quantité de volume sanguin dans le VG en fin de diastole. e dP/dtmax fait référence au taux maximal de changements de pression pendant la systole. f Le taux minimal de changement de pression pendant la diastole (dP/dtmin). g Pente de la relation pression-volume télésystolique (ESPVR) indiquant la contractilité cardiaque intrinsèque telle que mesurée par l'occlusion transitoire de la veine cave inférieure (VCI). h Pente de la relation pression-volume télédiastolique (EDPVR). n = 4. *p < 0,05.

Ensuite, nous avons étudié le comportement in vivo des hiPSC-EC implantés par voie intramyocardique en présence ou en l'absence de SDF-eMSC-PA. Étant donné que les hiPSC-EC expriment constamment la GFP, nous avons pu suivre leur sort dans les coupes de tissu cardiaque. L'examen microscopique confocal des tissus cardiaques récoltés 8 semaines après le traitement cellulaire a démontré que l'implantation de SDF-eMSC-PAs améliorait de manière significative la rétention et la prise de greffe de hiPSC-ECs GFP-positifs injectés par voie intramyocardique. Sur le plan quantitatif, la proportion de hiPSC-EC GFP-positives dans le groupe EC + PA était nettement supérieure à celle du groupe EC (Fig. 6a). Fait intéressant, alors que les hiPSC-EC du groupe hiPSC-EC seuls étaient localisés près des sites d'injection, les hiPSC-EC du groupe EC + PA étaient répartis dans toutes les régions du ventricule gauche. Compte tenu de la capacité des SDF-eMSC-PA à améliorer la survie et la rétention des hiPSC-EC injectés, nous avons cherché à examiner si les SDF-eMSC-PA exerçaient des effets cytoprotecteurs directs sur les hiPSC-EC in vitro. Une lésion ischémique a été simulée en exposant les hiPSC-EC à H2O2 (500 µM). L'administration de CM à partir de SDF-eMSC (SDF-eMSC-CM) a considérablement amélioré la viabilité des hiPSC-EC et des HUVEC, comme déterminé par le test LIVE / DEAD et le test CCK-8 (Fig. 8a – f supplémentaires). Le traitement avec SDF-eMSC-CM a considérablement augmenté le nombre de cellules viables, ce qui suggère que SDF-eMSC-CM exerce des effets cytoprotecteurs directs sur les CE contre les insultes ischémiques. Par la suite, nous avons effectué des analyses histologiques approfondies à l'aide de tissus cardiaques récoltés 8 semaines après le traitement cellulaire pour examiner si les SDF-eMSC-PA pouvaient simultanément favoriser la vasculogenèse dépendante de la hPSC-EC ainsi que l'angiogenèse des vaisseaux sanguins hôtes. IB4 conjugué à la rhodamine a été injecté par voie systémique pour identifier l'endothélium fonctionnel dans ces expériences. Initialement, les images confocales ont démontré que le nombre total de capillaires IB4-positifs (IB4+) dans la zone frontalière et la zone d'infarctus des cœurs dans le groupe EC + PA était sensiblement plus élevé que celui des autres groupes, y compris le groupe EC (Fig. 6b). Le nombre de vaisseaux qui étaient GFP négatifs mais positifs pour IB4 (GFP-/IB4+) était également significativement plus élevé que celui des autres groupes, y compris le groupe EC uniquement (Fig. 6c). Ces résultats suggèrent que l'approche combinée a favorisé de manière significative l'angiogenèse des vaisseaux hôtes dans les cœurs MI. Plus important encore, le nombre de vaisseaux de novo formés par hiPSC-ECs-GFP + était nettement plus élevé dans le groupe EC + PA que dans le groupe EC uniquement, ce qui indique que SDF-eMSC-PAs facilite la vasculogenèse dépendante de hiPSC-EC (Fig. 6d–e et Fig. 9a supplémentaire). Notamment, le nombre de vaisseaux sanguins plus gros (plage de diamètre : > 5 μm), l'un des indicateurs de vaisseaux sanguins fonctionnels dans le groupe EC + PA, était significativement plus élevé que celui du groupe EC. Il est intéressant de noter que bon nombre de ces gros vaisseaux du groupe EC + PA affichaient une expression abondante de α-SMA, un marqueur des cellules musculaires lisses, suggérant que ces gros vaisseaux (CD31 + / α-SMA +) pourraient être des vaisseaux de type artériole, indiquant que Le SDF-eMSC-PA a joué certains rôles dans la croissance et la maturation vasculaires (Fig. 6e – g et Fig. 9b supplémentaire).

une image représentative de hiPSC-ECs-GFP dans la zone de l'infarctus à 8 semaines de traitement post-cellulaire et leur résumé de quantification. n = 3. *p < 0,05. Barres d'échelle : 1000 µm. b Images représentatives de vaisseaux sanguins colorés avec IB4-rhodamine (rouge) dans la zone d'infarctus (IZ), la zone frontalière (BZ) et la zone éloignée à 8 semaines après le traitement cellulaire et un résumé de leur quantification. n = 5–7. *p < 0,05. Barres d'échelle : 100 µm. c Images représentatives de vaisseaux sanguins négatifs pour GFP mais positifs pour IB4 (GFP-/IB4+) dans la zone infarcie et leur résumé de quantification. hiPSC-ECs-GFP (vert), IB4-rhodamine (rouge) et DAPI (bleu). n = 5. *p < 0,05. Barres d'échelle : 20 µm. d, e Images représentatives des vaisseaux sanguins GFP et IB4 (GFP+/IB4+) positifs dans la zone infarcie et leur quantification. hiPSC-ECs-GFP (vert), IB4-rhodamine (rouge) et DAPI (bleu). n = 5. *p < 0,05. Barres d'échelle : 20 µm. f, g Diamètre des vaisseaux sanguins GFP-positifs dérivés de hiPSC-EC dans la zone infarcie et la zone frontalière. n = 5. *p < 0,05.

Pour étudier plus avant si la régénération vasculaire obtenue par la plate-forme combinée (EC + PA) était suffisante pour sauver le myocarde de l'insulte ischémique, nous avons quantifié le myocarde viable par immunomarquage pour l'anticorps de la troponine T cardiaque (cTnT) en utilisant les tissus cardiaques récoltés à partir de tous les anticorps expérimentaux. groupes à 8 semaines après le traitement cellulaire. Le nombre de cardiomyocytes cTnT+ viables dans le groupe EC + PA était significativement plus élevé que dans les autres groupes (Fig. 7a). Ces résultats d'analyses histologiques utilisant des tissus cardiaques nous ont motivés à tester si les SDF-eMSC (Fig. 10a supplémentaire) pouvaient conférer des effets cytoprotecteurs directs sur les cardiomyocytes contre les insultes ischémiques in vitro. Une lésion ischémique a été simulée en exposant des cardiomyocytes à H2O2 (500 µM). Les résultats du test LIVE/DEAD et du test de cholécystokinine-8 (CCK-8) ont démontré que l'administration de milieux conditionnés SDF-eMSC (CM) améliorait de manière significative la viabilité des cardiomyocytes en culture isolés de rats nouveau-nés (NRCM) contre H2O2 traitement par rapport aux autres traitements. Ces résultats suggèrent également que les SDF-eMSC ont des effets cytoprotecteurs directs contre les insultes ischémiques (Fig. 11a – c supplémentaires).

a Images d'immunocoloration représentatives du myocarde colorées avec cTnT (vert) et DAPI (bleu) à 8 semaines après le traitement cellulaire et la quantification du nombre de cardiomyocytes cTnT-positifs. SDF-eMSC marqués avec DiI dans le patch cardiaque (rouge) n = 5. *p < 0,05. Barre d'échelle : 300 µm. b Images représentatives de la coloration au trichrome de Masson à l'aide de tissus cardiaques récoltés 8 semaines après le traitement cellulaire. c, d Résumé de la quantification d'un pourcentage de fibrose et de myocarde viable. n = 5. *p < 0,05. Barres d'échelle : 2000 µm.

Par conséquent, le groupe de traitement combiné a montré une diminution significative de la fibrose cardiaque. Les résultats de la coloration au trichrome de Masson utilisant du tissu cardiaque prélevé à 8 semaines ont montré une zone de fibrose (%), qui était significativement plus faible dans les groupes de traitement combinés que dans les autres groupes (Fig. 7b – d). Pris ensemble, nos résultats suggèrent clairement que le traitement combiné a entraîné une réparation cardiaque complète grâce à une régénération vasculaire améliorée et que les SDF-eMSC ont contribué au moins dans une certaine mesure à la protection indirecte du myocarde contre les lésions ischémiques via une sécrétion constante de cytokines SDF cytoprotectrices.

Dans la présente étude, nous avons cherché à développer une stratégie à multiples facettes pour obtenir une néovascularisation thérapeutique efficace en utilisant des hiPSC-EC et des SDF-eMSC, éventuellement par induction simultanée de la vasculogenèse postnatale et de l'angiogenèse (Fig. 8). Nous avons observé que les hiPSC-EC injectés par voie intramyocardique entraînaient la formation réussie de vaisseaux de novo via un mécanisme de vasculogenèse postnatale, alors que les SDF-eMSC-PA implantés épicardiquement favorisaient efficacement l'angiogenèse des vaisseaux hôtes existants du cœur MI ainsi que les vaisseaux nouvellement formés de les hiPSC-EC injectés via la sécrétion continue de cytokines proangiogéniques, en particulier SDF-1α.

L'amélioration de la fonction cardiaque et la régénération vasculaire complète obtenues par la plateforme combinée avec les hiPSC-EC et les SDF-eMSC-PA.

Apparemment, les SDF-eMSC-PA ont fourni un microenvironnement favorable aux hiPSC-EC injectés par voie intramyocardique, ce qui a amélioré leur survie, leur migration et leur rétention dans les cœurs ischémiques. Plus important encore, les SDF-eMSC-PAs ont sensiblement induit la maturation vasculaire ultérieure de l'état primitif des vaisseaux de novo formés par les hiPSC-ECs à des vaisseaux perfusables fonctionnellement plus grands. Collectivement, ces effets synergiques des hiPSC-EC et des SDF-eMSC-PA ont finalement permis une régénération vasculaire complète dans les cœurs exposés à l'IM. En effet, de nombreuses études antérieures ont tenté une néovascularisation thérapeutique ciblant séparément la vasculogenèse ou l'angiogenèse avec plusieurs types de cellules, y compris les EPC, les hMSC ou les cellules progénitrices cardiaques11,30,31,32,33. Par rapport aux études précédentes, cette étude, à notre connaissance, est la première à induire une néovascularisation inclusive via l'induction de la vasculogenèse et de l'angiogenèse ensemble en utilisant deux types de cellules souches majeures distinctes qui ont été délivrées par deux voies différentes.

Pour obtenir une vasculogenèse postnatale dans les cœurs MI, nous avons utilisé des CE hiPSC principalement en raison de leur potentiel vasculogénique relativement plus élevé et de leurs similitudes avec les CE primaires humaines en termes d'expression de gènes spécifiques endothéliaux et de protéines structurelles ainsi que de caractéristiques physiologiques telles que la formation de tubes, Absorption des LDL et formation capillaire in vivo. Plusieurs études précliniques ont démontré que les hPSC-EC peuvent être utilisées pour greffer, aligner et coupler avec succès les capillaires de l'hôte afin d'augmenter la vascularisation34,35. Plus important encore, les hPSC-EC ont restauré la perfusion dans les modèles d'ischémie des membres postérieurs et accéléré la cicatrisation des plaies, représentant ainsi une source idéale de cellules pour traiter les maladies vasculaires36,37,38. Bien qu'il ait été suggéré que les hPSC-EC possèdent un potentiel vasculogénique comparativement plus élevé que les autres types de cellules étudiés précédemment, l'étude actuelle et d'autres démontrent systématiquement que le traitement avec uniquement les hPSC-EC peut être insuffisant pour générer un nombre adéquat de nouveaux vaisseaux sanguins dans l'ischémie. cœur en raison de l'environnement extrêmement hostile dans le cœur MI suggérant la nécessité d'un soutien supplémentaire. Ainsi, afin de promouvoir la vasculogenèse basée sur hiPSC-EC et d'induire l'angiogenèse à partir des vaisseaux hôtes, nous avons fabriqué un patch cardiaque en encapsulant des SDF-eMSC génétiquement modifiés pour libérer en continu du SDF-1α.

Le SDF-1α a été sélectionné comme inducteur majeur de l'angiogenèse myocardique car cette molécule est étroitement impliquée dans de multiples phénomènes physiologiques dans les CE, tels que la prolifération cellulaire, la survie, la migration, l'angiogenèse et les effets anti-apoptotiques39,40. Néanmoins, l'utilisation thérapeutique du SDF-1α est limitée par sa courte demi-vie41. Par conséquent, nous avons conçu des BM-MSC humaines pour faciliter la libération continue de SDF-1α à l'aide d'un vecteur lentiviral codant pour les facteurs de reprogrammation hTERT et c-Myc. Nous avons démontré que le traitement des milieux conditionnés des SDF-eMSC avec les hiPSC-EC et les HUVEC en culture améliorait considérablement leur potentiel angiogénique, comme l'expression accrue de plusieurs gènes liés à l'angiogenèse, la prolifération des CE, la migration et la formation de tubes. Pour assurer la sécrétion persistante de SDF-1α et d'autres facteurs paracrines favorables vers le myocarde lésé, nous avons généré des patchs cardiaques dérivés de hdECM pour servir de réservoir cellulaire dans la zone infarcie. Pour concevoir les patchs cardiaques, nous avons développé une stratégie innovante impliquant la préparation de hdECM porcin lyophilisé optimisé pour un stockage pratique et un transport facile des ECM acellulaires mélangés avec des SDF-eMSC comme bioink. Nos résultats ont montré que les SDF-eMSC semblaient mieux survivre dans le patch jusqu'à 8 semaines après le traitement, comme en témoigne le nombre plus élevé de MSC DiI-positives. Les SDF-eMSC survivants ont constamment sécrété des facteurs paracrines bénéfiques et ont favorisé la régénération vasculaire en favorisant la vasculogenèse et l'angiogenèse dépendantes de hiPSC-EC et ont finalement rajeuni le myocarde lésé.

En effet, la mort cellulaire importante et les faibles taux de prise de greffe après la transplantation dans le myocarde de l'hôte sont parmi les obstacles les plus critiques limitant la régénération vasculaire à base de cellules dans le cœur ischémique. Fait intéressant, nos analyses histologiques ont révélé une augmentation considérable de la rétention et de la prise de greffe des hiPSC-EC injectés par voie intramyocardique, qui induisaient une régénération vasculaire robuste et stable lorsqu'ils étaient associés à des SDF-eMSC-PA épicardiques. À l'inverse, l'absence de SDF-eMSC-PA a entraîné une baisse rapide du nombre de hiPSC-EC sur 8 semaines. En revanche, sa présence a considérablement augmenté le nombre de hiPSC-EC survivants pour la formation ultérieure de vaisseaux. Ainsi, les facteurs paracrines sécrétés par les SDF-eMSC-PA ont initialement facilité la stabilisation rapide des hPSC-EC injectés et amélioré la survie et la prise de greffe des hiPSC-EC, en particulier au début de l'implantation. Le taux de prise de greffe plus élevé est particulièrement important car le succès de la régénération vasculaire à base de cellules dépend en grande partie du nombre de cellules qui survivent et se greffent dans le cœur42.

De plus, les SDF-eMSC-PA favorisent non seulement la régénération vasculaire, mais contribuent également à l'élargissement vasculaire ainsi qu'à la transition vers des vaisseaux sanguins fonctionnels, qui peuvent être définis comme une étape initiale de la maturation des vaisseaux sanguins. L'analyse histologique a montré que le nombre de vaisseaux sanguins d'un diamètre > 5 μm, ce qui est physiologiquement et fonctionnellement important, à la fois dans les zones d'infarctus et les zones frontalières, au cœur du groupe EC + PA était nettement plus élevé que celui des autres groupes expérimentaux. groupes, y compris le groupe hiPSC-EC seul. Comme preuve supplémentaire, les résultats du test in vitro du bouchon Matrigel ont suggéré que le traitement avec des milieux conditionnés dérivés des SDF-eMSC maintenait l'intégrité des vaisseaux dérivés de hiPSC-EC pendant plus de 48 h par rapport à celle des vaisseaux témoins non traités. Plus intéressant, les SDF-eMSC-PA semblaient induire l'artérialisation des vaisseaux sanguins, peut-être en stimulant la migration et le recrutement des cellules musculaires lisses, car le nombre de vaisseaux positifs à la fois pour CD31 et α-SMA était significativement plus élevé dans l'EC + PA groupe que dans les autres groupes expérimentaux. Collectivement, ces résultats indiquent clairement que le SDF-eMSC-PA a considérablement contribué à la stabilité et à l'intégrité vasculaire.

En résumé, nous proposons une nouvelle stratégie de régénération vasculaire dans les cœurs ischémiques par l'induction de hiPSC-EC et de SDF-eMSC-PA qui non seulement favorise la vasculogenèse basée sur hiPSC-EC, mais stimule également l'angiogenèse des vaisseaux dans les cœurs infarcis de l'hôte. Ainsi, notre nouvelle stratégie thérapeutique basée sur un double système peut être utilisée pour la régénération vasculaire et la réparation cardiaque.

Nowbar, AN, Gitto, M., Howard, JP, Francis, DP et Al-Lamee, R. Mortalité due à une cardiopathie ischémique. Circ. Cardiovasculaire. Qual. Résultats 12, e005375 (2019).

Article Google Scholar

Saleh, M. & Ambrose, JA Comprendre l'infarctus du myocarde. F1000Rés. 7, F1000 (2018). Faculté Rev-1378.

Article Google Scholar

Clayton, ZE, Sadeghipour, S. & Patel, S. Génération de cellules endothéliales dérivées de cellules souches pluripotentes induites et de cellules endothéliales induites pour la modélisation des maladies cardiovasculaires et l'angiogenèse thérapeutique. Int. J. Cardiol. 197, 116-122 (2015).

Article CAS Google Scholar

Gupta, R., Tongers, J. & Losordo, DW Études humaines sur la thérapie génique angiogénique. Circ. Rés. 105, 724–736 (2009).

Article CAS Google Scholar

Phelps, EA & Garcia, AJ Mise à jour sur les stratégies thérapeutiques de vascularisation. Régén. Méd. 4, 65–80 (2009).

Article Google Scholar

Tang, J. et al. Les cellules souches mésenchymateuses surexprimant SDF-1 favorisent l'angiogenèse et améliorent la fonction cardiaque dans l'infarctus du myocarde expérimental chez le rat. EUR. J. Cardiothorac. Surg. 36, 644–650 (2009).

Article Google Scholar

Kubis, N. & Levy, BI Vasculogenèse et angiogenèse : contrôles moléculaires et cellulaires. Partie 1 : facteurs de croissance. Interv. Neuroradiol. 9, 227-237 (2003).

Article CAS Google Scholar

Ribatti, D., Vacca, A., Nico, B., Roncali, L. et Dammacco, F. Vasculogenèse postnatale. méc. Dév. 100, 157-163 (2001).

Article CAS Google Scholar

Balaji, S., King, A., Crombleholme, TM et Keswani, SG Le rôle des cellules progénitrices endothéliales dans la vasculogenèse postnatale : implications pour la néovascularisation thérapeutique et la cicatrisation des plaies. Adv. Soins des plaies (N. Rochelle) 2, 283–295 (2013).

Article Google Scholar

Schuh, A. et al. La transplantation de cellules progénitrices endothéliales améliore la néovascularisation et la fonction ventriculaire gauche après un infarctus du myocarde dans un modèle de rat. Basique. Rés. Cardol. 103, 69–77 (2008).

Article Google Scholar

Tang, J., Xie, Q., Pan, G., Wang, J. et Wang, M. Les cellules souches mésenchymateuses participent à l'angiogenèse et améliorent la fonction cardiaque dans un modèle de rat d'ischémie myocardique avec reperfusion. EUR. J. Cardiothorac. Surg. 30, 353–361 (2006).

Article Google Scholar

Ziegler, M. et al. L'administration ciblée de plaquettes de cellules mononucléaires du sang périphérique au cœur ischémique restaure la fonction cardiaque après une lésion d'ischémie-reperfusion. Théranostic 7, 3192–3206 (2017).

Article CAS Google Scholar

Nesselmann, C., Li, W., Ma, N. & Steinhoff, G. Néovascularisation médiée par les cellules souches dans la réparation cardiaque. Là. Adv. Cardiovasculaire. Dis. 4, 27–42 (2010).

Article Google Scholar

Chao, T.-H., Chen, IC, Tseng, S.-Y. & Li, Y.-H. Thérapie par cellules souches pluripotentes dans les maladies cardiovasculaires ischémiques. Acta Cardiol. Péché. 30, 365–374 (2014).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Templin, C. et al. Transplantation et suivi de cellules souches pluripotentes induites par l'homme dans un modèle porcin d'infarctus du myocarde : évaluation de la survie cellulaire, de la prise de greffe et de la distribution par tomographie par émission monophotonique hybride/tomodensitométrie de l'expression du transgène symporteur d'iodure de sodium. Circulation 126, 430–439 (2012).

Article CAS Google Scholar

Parc, BW et al. L'amorçage in vivo de cellules souches mésenchymateuses humaines avec des cellules souches mésenchymateuses modifiées par le facteur de croissance des hépatocytes favorise le potentiel thérapeutique de la réparation cardiaque. Sci. Adv. 6, eaay6994 (2020).

Article CAS Google Scholar

Park, S.-J. et coll. La double thérapie par cellules souches améliore de manière synergique la fonction cardiaque et la régénération vasculaire après un infarctus du myocarde. Nat. Commun. 10, 3123–3123 (2019).

Article Google Scholar

Ban, K. et al. La thérapie cellulaire avec des cardiomyocytes dérivés de cellules souches embryonnaires encapsulés dans un gel de nanomatrice injectable améliore la prise de greffe cellulaire et favorise la réparation cardiaque. ACS Nano 8, 10815–10825 (2014).

Article CAS Google Scholar

Ban, K. et al. Purification des cardiomyocytes à partir de cellules souches pluripotentes en différenciation à l'aide de balises moléculaires qui ciblent l'ARNm spécifique des cardiomyocytes. Diffusion 128, 1897-1909 (2013).

Article CAS Google Scholar

Lee, S., Park, B.-W., Lee, YJ, Ban, K. & Park, H.-J. La thérapie génique combinatoire in vivo favorise de manière synergique la fonction cardiaque et la régénération vasculaire après un infarctus du myocarde. J. Tissue Eng. 11, 2041731420953413–2041731420953413 (2020).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, S. et al. La transduction in vivo d'ETV2 améliore la fonction cardiaque et induit la régénération vasculaire suite à un infarctus du myocarde. Exp. Mol. Méd. 51, 1–14 (2019).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Lian, X. et al. Différenciation efficace des cellules souches pluripotentes humaines en progéniteurs endothéliaux via l'activation par une petite molécule de la signalisation WNT. Stem Cell Rep. 3, 804–816 (2014).

Article CAS Google Scholar

Jeon, SH et al. Les cellules souches mésenchymateuses modifiées exprimant le facteur 1 dérivé des cellules stromales améliorent la dysfonction érectile chez les rats diabétiques induits par la streptozotocine. Int. J. Mol. Sci. 19, 3730 (2018).

Kim, H.-K. et coll. Un sous-ensemble de facteurs paracrines comme biomarqueurs efficaces pour prédire l'efficacité de régénération vasculaire des cellules stromales/souches mésenchymateuses. Cellules souches 37, 77–88 (2019).

Article CAS Google Scholar

Nguyen, M., Strubel, NA et Bischoff, J. Un rôle pour les glycoconjugués sialyl Lewis-X/A dans la morphogenèse capillaire. Nature 365, 267–269 (1993).

Article CAS Google Scholar

Aoki, M. et al. Effets du facteur de croissance endothélial vasculaire et de la sélectine E sur l'angiogenèse dans le sarcome RCT métastatique murin. Tumeur Biol. 22, 239-246 (2001).

Article CAS Google Scholar

Bischoff, J., Brasel, C., Kräling, B. & Vranovska, K. La sélectine E est régulée à la hausse dans les cellules endothéliales proliférantes in vitro. Microcirculation 4, 279-287 (1997).

Article CAS Google Scholar

Kevil, CG et al. La molécule d'adhésion intercellulaire-1 (ICAM-1) régule la motilité des cellules endothéliales par une voie dépendante de l'oxyde nitrique. J. Biol. Chim. 279, 19230–19238 (2004).

Article CAS Google Scholar

Gho, YS, Kleinman, HK & Sosne, G. Activité angiogénique de la molécule d'adhésion intercellulaire soluble humaine-1. Cancer Res 59, 5128-5132 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

Jujo, K., Ii, M. & Losordo, DW Cellules progénitrices endothéliales dans la néovascularisation du myocarde infarci. J. Mol. Cellule. Cardol. 45, 530-544 (2008).

Article CAS Google Scholar

Tang, XL et al. L'administration intracoronaire de cellules progénitrices cardiaques atténue la dysfonction ventriculaire gauche chez les rats avec un infarctus de 30 jours. Circulation 121, 293-305 (2010).

Article Google Scholar

Bui, TVA, Hwang, JW, Lee, JH, Park, HJ & Ban, K. Défis et limites des stratégies visant à promouvoir le potentiel thérapeutique des cellules souches mésenchymateuses humaines pour la réparation cardiaque cellulaire. Circonscription coréenne. J. 51, 97–113 (2021).

Article CAS Google Scholar

Sim, W.-S., Park, B.-W., Ban, K. & Park, H.-J. Le préconditionnement in situ des cellules souches mésenchymateuses humaines provoque une réparation cardiaque complète après un infarctus du myocarde. Int. J. Mol. Sci. 22, 1449 (2021).

Article CAS Google Scholar

Gu, M. et al. L'analyse microfluidique d'une seule cellule montre que les cellules endothéliales dérivées de cellules souches pluripotentes induites par le porc améliorent la fonction myocardique par activation paracrine. Circ. Rés. 111, 882–893 (2012).

Article CAS Google Scholar

Lee, AS et al. Dérivation préclinique et imagerie de cellules souches pluripotentes induites canines autologues. J. Biol. Chim. 286, 32697–32704 (2011).

Article CAS Google Scholar

Clayton, ZE et al. Les cellules endothéliales dérivées de cellules souches pluripotentes induites favorisent l'angiogenèse et accélèrent la fermeture de la plaie dans un modèle murin de cicatrisation par excision. Biosci. Rep. 38, BSR20180563 (2018).

Rufaihah, AJ et al. Les cellules endothéliales dérivées d'iPSCS humaines augmentent la densité capillaire et améliorent la perfusion dans un modèle murin de maladie artérielle périphérique. Artérioscler. Thromb. Vasc. Biol. 31, e72–e79 (2011).

Article CAS Google Scholar

Clayton, ZE et al. Une comparaison du potentiel pro-angiogénique des cellules endothéliales dérivées de cellules souches pluripotentes humaines induites et des cellules endothéliales induites dans un modèle murin de maladie artérielle périphérique. Int. J. Cardiol. 234, 81–89 (2017).

Article Google Scholar

Penn, MS, Pastore, J., Miller, T. & Aras, R. SDF-1 dans la réparation du myocarde. Gène. Là. 19, 583–587 (2012).

Article CAS Google Scholar

Saxena, A. et al. Le facteur 1alpha dérivé des cellules stromales est cardioprotecteur après un infarctus du myocarde. Circulation 117, 2224–2231 (2008).

Article CAS Google Scholar

Atluri, P. et al. Normalisation de la biomécanique post-infarctus à l'aide d'une nouvelle construction angiogénique issue de l'ingénierie tissulaire. Diffusion 128, S95–S104 (2013).

Article CAS Google Scholar

Terrovitis, JV, Smith, RR & Marbán, E. Évaluation et optimisation de la greffe de cellules après transplantation dans le cœur. Circ. Rés. 106, 479–494 (2010).

Article CAS Google Scholar

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Cette recherche a été soutenue par le ministère de la Santé et du Bien-être (#HI20C0184 à SHM), le Fonds coréen pour la médecine régénérative (#21A0403L1 à SJP et #NRF-2021M3E5E5096524 pour JJ), le ministère de la Sécurité alimentaire et des médicaments (#18172MFDS182 à HJP ) et la subvention du programme de développement des technologies bio et médicales (#NRF-2017M3A9B3061954 à HJP). Cette étude a également été soutenue par le Hong Kong Research Grants Council (21100818 à KB), CityU Applied Research Grant (ARG à KB) et le fonds de projet TFBC (KB).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Hyeok Kim, Soon-Jung Park, Jae-Hyun Park.

Département de biomédecine et des sciences de la santé, Faculté de médecine, Université catholique de Corée, Séoul, Corée du Sud

Hyeok Kim, Jae-Hyun Park, Bong-Woo Park, Ji-Won Hwang, Jin-Ju Kim, Woo-Sup Sim et Hun-Jun Park

Division de cardiologie, Département de médecine interne, Hôpital St. Mary de Séoul, Université catholique de Corée, Séoul, Corée du Sud

Hyeok Kim, Bong-Woo Park, Ji-Won Hwang, Jin-Ju Kim, Woo-Sup Sim et Hun-Jun Park

Institut de recherche, T&R Biofab Co., Ltd., Siheung, Corée du Sud

Parc Soon-Jung et Sung-Hwan Moon

Département des sciences biomédicales, City University of Hong Kong, Kowloon Tong, Hong Kong

Parc Jae-Hyun, Sunghun Lee et Kiwon Ban

SL BIGEN, Inc., Seongnam, Corée du Sud

Bientôt Min Lee et Hyo-Jin Kim

Département d'ingénierie informatique créative et École interdisciplinaire de biosciences et de bioingénierie, Université des sciences et technologies de Pohang, Pohang, Corée du Sud

Byeongmin Kang et Jinah Jang

Département d'urologie, Faculté de médecine, Université catholique de Corée, Séoul, Corée du Sud

Seung Hwan Jeon

Division de cardiologie, Département de médecine interne, Université catholique de Corée, Séoul, Corée du Sud

Dong Bin Kim

Département de génie mécanique, Université des sciences et technologies de Pohang, Pohang, Corée du Sud

Dong Woo Cho

Département de biotechnologie animale, Université Sangji, Wonju, Corée du Sud

Lune Sung-Hwan

Centre de recherche sur la mort cellulaire, Faculté de médecine, Université catholique de Corée, Séoul, Corée du Sud

Parc Hun Jun

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Correspondance à Sung-Hwan Moon, Hun-Jun Park ou Kiwon Ban.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Kim, H., Park, SJ., Park, JH. et coll. Stratégie d'amélioration pour une régénération vasculaire efficace après un infarctus du myocarde grâce à une approche à double cellule souche. Exp Mol Med 54, 1165-1178 (2022). https://doi.org/10.1038/s12276-022-00827-8

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Reçu : 07 décembre 2021

Révisé : 08 mars 2022

Accepté : 21 mars 2022

Publié: 16 août 2022

Date d'émission : août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s12276-022-00827-8

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