Myoblast Sheet Transplantation for Treatment of Heart Failure after Myocardial Infarction

Heart failure is a common, severe, and progressive condition associated with high mortality and morbidity. Because of population-aging in the coming decades, heart failure is estimated to reach epidemic proportions. Current medical and surgical treatments have reduced mortality, but the prognosis for patients has remained poor. Transplantation of skeletal myoblasts has raised hope of regenerating the failing heart and compensating for lost cardiac contractile tissue. In the present work, we studied epicardial transplantation of tissue-engineered myoblast sheets for treatment of heart failure. We employed a rat model of myocardial infarction-induced acute and chronic heart failure by left anterior descending coronary artery ligation. We then transplanted myoblast sheets genetically modified to resist cell death after transplantation by expressing antiapoptotic gene bcl2. In addition, we evaluated the regenerative capacity of myoblast sheets expressing the cardioprotective cytokine hepatocyte growth factor in a rat chronic heart failure model. Furthermore, we utilized in vitro cardiomyocyte and endothelial cell culture models as well as microarray gene expression analysis to elucidate molecular mechanisms mediating the therapeutic effects of myoblast sheet transplantation. Our results demonstrate that Bcl2-expression prolonged myoblast sheet survival in rat hearts after transplantation and induced secretion of cardioprotective, proangiogenic cytokines. After acute myocardial infarction, these sheets attenuated left ventricular dysfunction and myocardial damage, and they induced therapeutic angiogenesis. In the chronic heart failure model, inhibition of graft apoptosis by Bcl-2 improved cardiac function, supported survival of cardiomyocytes in the infarcted area, and induced angiogenesis in a vascular endothelial growth factor receptor 1- and 2-dependent mechanism. Hepatocyte growth factor-secreting myoblast sheets further enhanced the angiogenic efficacy of myoblast sheet therapy. Moreover, myoblast-secreted paracrine factors protected cardiomyocytes against oxidative stress in an epidermal growth factor receptor- and c-Met dependent manner. This protection was associated with induction of antioxidative genes and activation of the unfolded protein response. Our results provide evidence that inhibiting myoblast sheet apoptosis can enhance the sheets efficacy for treating heart failure after acute and chronic myocardial infarction. Furthermore, we show that myoblast sheets can serve as vehicles for delivery of growth factors, and induce therapeutic angiogenesis in the chronically ischemic heart. Finally, myoblasts induce, in a paracine manner, a cardiomyocyte-protective response against oxidative stress. Our study elucidates novel mechanisms of myoblast transplantation therapy, and suggests effective means to improve this therapy for the benefit of the heart failure patient.

Sydämen vajaatoiminta on yleinen ja vakava etenevä oireyhtymä, johon liittyy korkea kuolleisuus. Sydämen vajaatoiminnan esiintyvyys on koko väestössä 1-2%, mutta yli 65-vuotiailla jopa 10%. Näin ollen väestön ikääntyessä myös sydämen vajaatoiminta yleistyy. Nykyiset hoitomuodot auttavat potilaita hidastamalla oireyhtymän etenemistä, mutta eivät vaikuta usein oireiden taustalla olevaan sydänlihassolujen määrän vähenemiseen. Soluviljelyssä kasvatetuista, erilaistumattomista luurankolihassoluista (myoblasteista) tehty solulauttasiirre on uusi lupaava hoitomuoto menetettyjen sydänlihassolujen uudistamiseksi. Solulautta voidaan siirtää sepelvaltimon ohitusleikkauksen yhteydessä vajaatoimintaisen sydämen pinnalle. Solusiirteessä tapahtuva solukuolema kuitenkin rajoittaa hoidon tehoa. Tutkimuksessa selvitettiin myoblastilauttojen hoidollista vastetta kokeellisessa sydäninfarktin jälkeisessä vajaatoimintamallissa. Solusiirteen selviytymistä sydämen pinnalla parannettiin ilmentämällä lautassa joko solukuolemaa estävää bcl2-geeniä tai uudisversuonitusta lisäävää hepatosyyttikasvutekijää. Lauttahoito annettiin heti sydäninfarktin jälkeen tai siitä 4 viikon kuluttua. Sydämen toimintaa arvioitiin kaikukardiografialla. Uudisverisuonitusta ja arpeutumista mitattiin kudosleikevärjäyksillä. Lisäksi myoblastilauttojen geeni-ilmentymistä ja sydänlihassolujen solukuolemaa tutkittiin soluviljelmissä. Solukuolemaa estävää bcl2:a ilmentävät myoblastilautat selviytyivät pidempään sydämessä infarktin jälkeen ja paransivat sydämen toimintaa. Hoidon vaikutus välittyi todennäköisesti lautan solujen erittämien liukoisten sydäntä suojaavien tekijöiden kautta. Myoblastilautoissa ilmennetty hepatosyyttikasvutekijä lisäsi uudisverisuonitusta, mutta ei parantanut sydämen toimintaa. Tutkimuksen tulokset paljastavat, että myoblastilauttojen hoidollista vastetta voidaan parantaa sydämen vajaatoiminnassa estämällä niiden solukuolemaa. Tutkimuksen tuloksia tullaan hyödyntämään kehitettäessä sydämen vajaatoimintapotilaiden kantasoluhoitoja.