Support of hepatic regeneration by trophic factors from liver-derived mesenchymal stromal/stem cells

Mesenchymal stromal/stem cells (MSCs) have multilineage differentiation potential and as such are known to promote regeneration in response to tissue injury. However, accumulating evidence indicates that the regenerative capacity of MSCs is not via transdifferentiation but mediated by their production of trophic and other factors that promote endogenous regeneration pathways of the tissue cells. In this chapter, we provide a detailed description on how to obtain trophic factors secreted by cultured MSCs and how they can be used in small animal models. More specific, in vivo models to study the paracrine effects of MSCs on regeneration of the liver after surgical resection and/or ischemia and reperfusion injury are described.

Granulocyte colony-stimulating factor supports liver regeneration in a small-for-size liver remnant mouse model

Experimental partial hepatectomy of more than 80% of the liver weight bears an increased mortality in rodents, due to impaired hepatic regeneration in small-for-size liver remnants. Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) promotes progenitor cell expansion and mobilization and also has immunomodulatory properties. The aim of this study was to determine the effect of systemically administered G-CSF on liver regeneration and animal survival in a small-for-size liver remnant mouse model. Mice were preconditioned daily for 5 days with subcutaneous injections of 5 microg G-CSF or aqua ad injectabile. Subsequently, 83% partial hepatectomy was performed by resecting the median, the left, the caudate, and the right inferior hepatic lobes in all animals. Daily sham or G-CSF injection was continued. Survival was significantly better in G-CSF-treated animals (P < 0.0001). At 36 and 48 h after microsurgical hepatic resection, markers of hepatic proliferation (Ki67, BrdU) were elevated in G-CSF-treated mice compared to sham injected control animals (P < 0.0001) and dry liver weight was increased (P < 0.05). G-CSF conditioning might prove to be useful in patients with small-for-size liver remnants after extended hepatic resections due to primary or secondary liver tumors or in the setting of split liver transplantation.

Regulated catalysis of extracellular nucleotides by vascular CD39/ENTPD1 is required for liver regeneration

BACKGROUND & AIMS: Little is known about how endothelial cells respond to injury, regulate hepatocyte turnover and reconstitute the hepatic vasculature. We aimed to determine the effects of the vascular ectonucleotidase CD39 on sinusoidal endothelial cell responses following partial hepatectomy and to dissect purinergic and growth factor interactions in this model. METHODS: Parameters of liver injury and regeneration, as well as the kinetics of hepatocellular and sinusoidal endothelial cell proliferation, were assessed following partial hepatectomy in mice that do not express CD39, that do not express ATP/UTP receptor P2Y2, and in controls. The effects of extracellular ATP on vascular endothelial growth factor (VEGF), hepatocyte growth factor (HGF), and interleukin-6 responses were determined in vivo and in vitro. Phosphorylation of the endothelial VEGF receptor in response to extracellular nucleotides and growth factors was assessed in vitro. RESULTS: After partial hepatectomy, expression of the vascular ectonucleotidase CD39 increased on sinusoidal endothelial cells. Targeted disruption of CD39 impaired hepatocellular regeneration, reduced angiogenesis, and increased hepatic injury, resulting in pronounced vascular endothelial apoptosis, and decreased survival. Decreased HGF release by sinusoidal endothelial cells, despite high levels of VEGF, reduced paracrine stimulation of hepatocytes. Failure of VEGF receptor-2/KDR transactivation by extracellular nucleotides on CD39-null endothelial cells was associated with P2Y2 receptor desensitization. CONCLUSIONS: Regulated phosphohydrolysis of extracellular nucleotides by CD39 coordinates both hepatocyte and endothelial cell proliferation following partial hepatectomy. Lack of CD39 activity is associated with decreased hepatic regeneration and failure of vascular reconstitution.

Granulocyte colony stimulating factor supports liver regeneration in a surgical small for size liver remnant mouse model

ntense liver regeneration and almost 100% survival follows partial hepatectomy of up to 70% of liver mass in rodents. More extensive resections of 70 to 80% have an increased mortality and partial hepatectomies of >80% constantly lead to acute hepatic failure and death in mice. The aim of the study was to determine the effect of systemically administered granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) on animal survival and liver regeneration in a small for size liver remnant mouse model after 83% partial hepatectomy (liver weight <0.8% of mouse body weight). Methods: Male Balb C mice (n=80, 20-24g) were preconditioned daily for five days with 5μg G-CSF subcutaneously or sham injected (aqua ad inj). Subsequently 83% hepatic resection was performed and daily sham or G-CSF injection continued. Survival was determined in both groups (G-CSF n=35; Sham: n=33). In a second series BrdU was injected (50mg/kg Body weight) two hours prior to tissue harvest and animals euthanized 36 and 48 hours after 83% liver resection (n=3 each group). To measure hepatic regeneration the BrdU labeling index and Ki67 expression were determined by immunohistochemistry by two independent observers. Harvested liver tissue was dried to constant weight at 65 deg C for 48 hours. Results: Survival was 0% in the sham group on day 3 postoperatively and significantly better (26.2% on day 7 and thereafter) in the G-CSF group (Log rank test: p<0.0001). Dry liver weight was increased in the G-CSF group (T-test: p<0.05) 36 hours after 83% partial hepatectomy. Ki67 expression was elevated in the G-CSF group at 36 hours (2.8±2.6% (Standard deviation) vs 0.03±0.2%; Rank sum test: p<0.0001) and at 48 hours (45.1±34.6% vs 0.7±1.0%; Rank sum test: p<0.0001) after 83% liver resection. BrdU labeling at 48 hours was 0.1±0.3% in the sham and 35.2±34.2% in the G-CSF group (Rank sum test: p<0.0001) Conclusions: The surgical 83% resection mouse model is suitable to test hepatic supportive regimens in the setting of small for size liver remnants. Administration of G-CSF supports hepatic regeneration after microsurgical 83% partial hepatectomy and leads to improved long-term survival in the mouse. G-CSF might prove to be a clinically valuable supportive substance in small for size liver remnants in humans after major hepatic resections due to primary or secondary liver tumors or in the setting of living related liver donation.

Elevated liver regeneration in response to pharmacological reduction of elevated portal venous pressure by terlipressin after partial hepatectomy.

BACKGROUND Liver regeneration is of crucial importance for patients undergoing living liver transplantations or extended liver resections and can be associated with elevated portal venous pressure, impaired hepatic regeneration, and postoperative morbidity. The aim of this study was to assess whether reduction of portal venous pressure by terlipressin improves postoperative liver regeneration in normal and steatotic livers after partial hepatectomy in a rodent model. METHODS Portal venous pressure was assessed after minor (30%), standard (60%), or extended (80%) partial hepatectomy (PH) in mice with and without liver steatosis. Liver regeneration was assessed by BrdU incorporation and Ki-67 immunostaining. RESULTS Portal venous pressure was significantly elevated post-PH in mice with normal and steatotic livers compared to sham-operated mice. Reduction of elevated portal pressure after 80% PH by terlipressin was associated with an increase of hepatocellular proliferation. In steatotic livers, animals treated with terlipressin had an increase in liver regeneration after 30% PH and increased survival after 60% PH. Mechanistically, terlipressin alleviated IL-6 mRNA expression following PH and down-regulated p21 and GADD45 mRNA suggesting a reduction of cell cycle inhibition and cellular stress. CONCLUSIONS Reduction of elevated portal pressure post-PH by the use of terlipressin improves liver regeneration after PH in lean and steatotic mouse livers.

Prostaglandins are required for CREB activation and cellular proliferation during liver regeneration

The liver responds to multiple types of injury with an extraordinarily well orchestrated and tightly regulated form of regeneration. The response to partial hepatectomy has been used as a model system to elucidate the molecular basis of this regenerative response. In this study, we used cyclooxygenase (COX)-selective antagonists and -null mice to determine the role of prostaglandin signaling in the response of liver to partial hepatectomy. The results show that liver regeneration is markedly impaired when both COX-1 and COX-2 are inhibited by indocin or by a combination of the COX-1 selective antagonist, SC-560, and the COX-2 selective antagonist, SC-236. Inhibition of COX-2 alone partially inhibits regeneration whereas inhibition of COX-1 alone tends to delay regeneration. Neither the rise in IL-6 nor the activation of signal transducer and activator of transcription-3 (STAT3) that is seen during liver regeneration is inhibited by indocin or the selective COX antagonists. In contrast, indocin treatment prevents the activation of CREB by phosphorylation that occurs during hepatic regeneration. These data indicate that prostaglandin signaling is required during liver regeneration, that COX-2 plays a particularly important role but COX-1 is also involved, and implicate the activation of CREB rather than STAT3 as the mediator of prostaglandin signaling during liver regeneration.

Decrease of phenylalanine hydroxylase during hepatocyte proliferation

In partially hepatectomized rats, the activity of phenylalanine hydroxylase decreased in the regenerating liver but not in the kidney. The concentration of corticosterone in the plasma of hepatectomized rats increased, and phenylalanine hydroxylase, despite being cortisol inducible, decreased in these as well as simultaneously adrenalectomized rats, showing lack of correlation between the changes of the steroid and the enzyme during the regeneration process. The decrease in the enzyme activity could be prevented by administering, during hepatic regeneration, only noradrenaline and adrenergic blocking agents, among the many hormones and phenyl compounds tested. A decrease in hepatic phenylalanine hydroxylase was also observed during two other conditions of hepatocyte cell proliferation obtained after giving chlorophenoxyisobutyrate and α-hexachlorocyclohexane.

GATA Transcription Factors in Tissue Homeostasis and Pathology of the Gastrointestinal Tract and Liver

Mammalian gastrointestinal tract and liver are self-renewing organs that are able to sustain themselves due to stem cells present in their tissues. In constant, inflammation-related epithelial damage, vigorous activation of stem cells may lead to their uncontrolled proliferation, and further, to cancer. GATA-4, GATA-5, and GATA-6 regulate cell proliferation and differentiation in many mammalian organs. Lack of GATA-4 or GATA-6 leads to defective endodermal development and cell differentiation. GATA-4 and GATA-5 are considered the ones with tumor suppressive functions, whereas GATA-6 is more related to tumor promotion. In the digestive system their roles in inflammation and tumor-related molecular pathways remain unclear. In this study, we examined the GATA-related molecular pathways involved in normal tissue organization and renewal and in inflammation-related epithelial repair in the gastrointestinal tract and liver. The overall purpose of this study was to elucidate the relation of GATA factors to gastrointestinal and hepatic disease pathology and to evaluate their possible clinical significance in tumor biology. The results indicated distinct expression patterns for GATA-4, GATA-5, and GATA-6 in the human and murine gastrointestinal tract and liver, and their involvement in the regulation of intestine-specific genes. GATA-5 was confined to the intestines of suckling mice, suggesting an association with postnatal enzymatic changes. GATA-4 was upregulated in bowel inflammation concomitantly with TGF-β signaling. In gastrointestinal tumors, GATA-4 was restricted to benign neoplasias of the stomach, while GATA-6 was detected especially at the invasive edges of malignant tumors throughout the gut. In the liver, GATA-4 was upregulated in pediatric tumors along with erythropoietin (Epo), which was detected also in the sera of tumor patients. Furthermore, GATA-4 was enhanced in areas of vigorous hepatic regeneration in patients with tyrosinemia type I. These results suggest a central role for GATA-4 in pediatric tumor biology of the liver. To conclude, GATA-4, GATA-5, and GATA-6 are associated with normal gastrointestinal and hepatic development and regeneration. The appearance of GATA-4 along with TGF-β-signaling in the inflammatory bowel suggests a protective role in the response to inflammation-related epithelial destruction. However, in extremely malignant pediatric liver tumors, GATA-4 function is unlikely to be tumor-suppressing, probably due to the nature of the very primitive multipotent tumor cells. GATA-4, along with its possible downstream factor Epo, could be utilized as novel hepatic tumor markers to supplement the present diagnostics. They could also serve a function in future biological therapies for aggressive pediatric tumors.

Quantificação das células estreladas ativadas / miofibroblastos e análise da apoptose das células do fígado durante a terapia celular na fibrose hepática em ratos

A fibrose hepática é o resultado de uma resposta cicatrizante frente a repetidas lesões no fígado, e é caracterizada pelo acúmulo excessivo de proteínas da matriz extracelular (MEC) no parênquima hepático, incluindo colágeno, fibronectina, elastina, laminina e proteoglicanos, com a participação de diferentes populações celulares do fígado. As principais células responsáveis pela síntese de proteínas da MEC na fibrose hepática são as células estreladas hepáticas ativadas e os miofibroblastos, que surgem após estímulo inflamatório e são caracterizadas pela expressão de alfa-actina de músculo liso (α-SMA). Sabe-se que durante a progressão da fibrose hepática, ocorre a morte de hepatócitos e sua substituição por células fibrogênicas α-SMA+. A apoptose dessas células fibrogênicas é de grande relevância para a regressão da fibrose e regeneração hepática. Nos últimos anos, a terapia com células tronco de medula óssea tem sido utilizada para estimular a regeneração hepática em diferentes modelos experimentais e protocolos clínicos. A fração mononuclear da medula óssea adulta possui duas populações de células-tronco importantes no tratamento de diversas doenças hepáticas: células-tronco hematopoiéticas e células-tronco mesenquimais. O objetivo deste estudo foi analisar a expressão de α-SMA e o processo de apoptose de células hepáticas durante a fibrose hepática induzida por ligadura do ducto biliar (LDB) e após o transplante de células mononucleares de medula óssea (CMMO). Os fígados foram coletados de ratos dos seguintes grupos: normal, 14 dias de LDB, 21 dias de LDB e animais que receberam CMMO após 14 dias de LDB, e foram analisados após 7 dias (totalizando 21 dias de LDB). Para quantificar a expressão de α-SMA por células fibrogênicas nos grupos experimentais, foi realizada imunoperoxidase para α-SMA, seguida de morfometria no programa Image Pro Plus. Para analisar a apoptose nas células hepáticas, foi realizada imunoperoxidase e Western Blotting (WB) para caspase-3 (proteína apoptótica) e imunofluorescência com dupla-marcação para caspase-3 e α-SMA, seguida de observação em microscópio confocal. Os resultados da quantificação de α-SMA por morfometria mostraram que a expressão de α-SMA aumentou significativamente 14 e 21 dias após a LDB. Entretanto, essa expressão diminuiu significativamente no grupo tratado com CMMO, que apresentou parênquima hepático mais preservado em relação ao grupo com 21 dias de LDB. Os resultados de imunoperoxidase, WB e microscopia confocal para expressão de caspase-3 demonstraram que essa proteína diminuiu nos animais fibróticos com 14 e 21 dias de LDB com relação ao grupo normal, e estava significativamente elevada no grupo tratado com CMMO. A análise por microscopia confocal demonstrou que algumas células coexpressaram α-SMA e caspase-3 nos animais tratados com CMMO, sugerindo a morte de células fibrogênicas e remodelamento do parênquima hepático.

Análise da expressão de laminina durante o transplante de células mononucleares de medula óssea em ratos hepatectomizados

A medula óssea adulta possui duas populações de células-tronco importantes no tratamento de diversas doenças hepáticas: células-tronco hematopoiéticas (CTHs) e células-tronco mesenquimais. A regeneração do fígado após a hepatectomia é um processo complexo que requer a proliferação de todas as células hepáticas. Fatores de crescimento, citocinas e componentes da matriz extracelular são elementos-chave nesse processo. As lamininas são uma família de proteínas de matriz extracelular, com funções adesivas e quimiotáticas pelo recrutamento de integrinas e outros receptores de superfície celular. No fígado normal, a laminina é expressa nas veias porta e centrolobular. O objetivo desse estudo foi investigar a expressão de laminina durante a regeneração hepática induzida por hepatectomia parcial e após o transplante de células mononucleares de medula óssea. As células mononucleares de medula óssea foram obtidas dos fêmures e tíbias de ratos, isoladas, marcadas com DAPI e injetadas pela veia porta em ratos recém-hepatectomizados. Os fígados foram coletados 15 minutos, 1 dia e 3 dias após a hepatectomia e o transplante de células de medula óssea e congelados. Os cortes foram imunomarcados com anticorpos primários anti-CD34 e anti-laminina de rato e observados em microscópio confocal de varredura a laser. Os resultados mostraram que 15 minutos após a hepatectomia parcial, as células-tronco hematopoiéticas CD34+ transplantadas foram encontradas em contato com a laminina localizada nas veias porta e centrolobular, indicando que a laminina poderia participar na adesão inicial das células-tronco a esses vasos logo após o seu transplante. Além disso, 1 e 3 dias após a hepatectomia, as células mononucleares de medula óssea transplantadas foram observadas nos sinusóides hepáticos expressando laminina. Esses resultados sugerem que a laminina pode ser um componente da matriz extracelular importante para a adesão e enxerto de células de medula óssea no fígado após uma lesão. Nós também analisamos a expressão de osteopontina (OPN) em células de medula óssea e CTHs. Os resultados por microscopia confocal demonstraram que a maioria das células mononucleares de medula óssea recém-isoladas expressa quantidades variáveis de OPN. Além disso, algumas CTHs CD34+ também expressam OPN. Após 1 e 4 dias de cultura, observamos uma diminuição de células expressando CD34, e um aumento na expressão de OPN pelas células mononucleares de medula óssea.

O transplante de células mononucleares de medula óssea contribui para o remodelamento da matriz extracelular durante a regeneração do fígado em ratos com fibrose hepática induzida por ligadura do ducto biliar

A fibrose hepática é o resultado de uma lesão crônica, com a ativação de células inflamatórias e fibrogênicas no fígado, as quais levam a um acúmulo excessivo de proteínas de matriz extracelular (MEC). Essas alterações resultam na morte de células do fígado, com desorganização e perda da função do parênquima hepático. A cirrose é o estágio avançado da fibrose, e culmina na falência hepática, uma condição potencialmente fatal cujo único tratamento efetivo é o transplante de fígado, o qual é limitado pela disponibilidade de órgãos. Na busca por terapias alternativas visando a regeneração hepática, o transplante de células mononucleares de medula óssea (CMMO) mostrou resultados benéficos e promissores em modelos animais e alguns protocolos clínicos. Entre essas células, estão as células-tronco hematopoiéticas e mesenquimais, que apresentam potencial regenerativo e modulador da resposta inflamatória. Este estudo pretendeu avançar na compreensão dos mecanismos pelos quais as CMMO podem ajudar na regeneração hepática. Ratos com fibrose hepática induzida por ligadura do ducto biliar (LDB) foram transplantados com CMMO e comparados com ratos com fibrose sem transplante e ratos normais. Parâmetros hepáticos como componentes da MEC (colágeno total, colágenos tipos I e IV, laminina, metaloproteinases de matriz MMPs), componentes celulares (células fibrogênicas, células de Kupffer e colangiócitos) e enzimas hepáticas foram analisados por microscopia de luz, microscopia confocal, western blotting e espectrofotometria. Os resultados mostraram que o transplante de CMMO contribui para a regeneração hepática de maneira global, (a) diminuindo o acúmulo de colágeno e laminina; (b) aumentando a produção de MMPs que favorecem o remodelamento da MEC, principalmente por células de Kupffer; (c) normalizando a quantidade de colangiócitos e diminuindo a quantidade de células fibrogênicas; e (d) normalizando os níveis sanguíneos das enzimas hepáticas. Portanto, nós sugerimos que as CMMO podem ajudar na regeneração hepática através de mecanismos parácrinos e se diferenciando em células de Kupffer, contribuindo para a secreção de fatores antiinflamatórios e anti-fibrogênicos no fígado com fibrose.

Falência hepática aguda: caracterização e quantificação dos tipos celulares envolvidos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Regenerative capacity of individual liver lobes in the microsurgical mouse model

In the development of microsurgical mouse models of hepatic regeneration and repair, lobe-specific regenerative responses were observed. We therefore determined the hepatic regenerative capacity of individual mouse liver lobes. In mice, 26, 60, 75, and 83% of total liver mass was resected. Bromo-deoxyuridine (BrdU) was injected prior to liver harvest and the BrdU labeling index determined in all remaining individual liver lobes. BrdU-positive nuclei were seen in all liver lobes after the 26 and 60% resection, but significantly fewer were detected in the caudate lobe. In the 75% group, equally distributed positive nuclei were found. However, BrdU labeling was scant in the 83% group. In microsurgical mouse liver-regeneration models, the average hepatic response depends on amount of liver tissue resected and on the remaining liver lobe. BrdU incorporation can vary significantly among individual lobes. The lobe-specific differences observed may prove valuable in further investigations of hepatic regeneration and repair.

Regeneração hepática em animais jovens com estenose da veia porta ou ligadura da artéria hepática: estudos histológicos, moleculares e avaliação dos efeitos da insulina e do tacrolimus como agentes regenerativos

INTRODUÇÃO: O transplante hepático é o único tratamento efetivo para uma variedade de doenças hepáticas irreversíveis. No entanto, o número limitado de doadores pediátricos leva ao uso de enxertos hepáticos de doadores adultos, com necessidade de anastomoses vasculares mais complexas. Essas anastomoses tornam-se complicadas pela diferença no calibre dos vasos entre o doador e o receptor, resultando em alterações do fluxo sanguíneo, estenose da anastomose venosa ou arterial e trombose. Os efeitos para regeneração hepática decorrentes da privação do fluxo sanguíneo pela veia porta ou pela artéria hepática não estão completamente elucidados. Experimentalmente, quando um lobo do fígado não recebe o fluxo venoso portal, é observada atrofia deste segmento e hipertrofia do restante do órgão perfundido. Embora existam vários modelos experimentais para estudo da regeneração hepática, poucos são focados em animais em crescimento. Além disso, os efeitos regenerativos de drogas como o tacrolimus e a insulina precisam ser pesquisados, com o objetivo de encontrar um tratamento ideal para a insuficiência hepática ou um método de estimular a regeneração do fígado após ressecções ou transplantes parciais. O objetivo do presente estudo é descrever modelos de regeneração hepática em ratos em crescimento com: 1) ausência de fluxo hepático arterial e 2) redução do fluxo portal. Adicionalmente, o estudo avalia o efeito pró-regenerativo do tacrolimus e da insulina nesses modelos descritos. MÉTODOS: cento e vinte ratos (entre 50 e 100g de peso) foram divididos em 6 grupos, de acordo com o tipo de intervenção cirúrgica: Grupo 1, incisão abdominal sem intervenção hepática; Grupo 2, hepatectomia a 70%; Grupo 3, hepatectomia a 70% + estenose de veia porta; Grupo 4, hepatectomia a 70% + ligadura da artéria hepática; Grupo 5, hepatectomia a 70% + estenose de veia porta + insulina; Grupo 6, hepatectomia a 70% + estenose de veia porta + tacrolimus. Os animais dos grupos 1 ao 4 foram subdivididos em 5 subgrupos de acordo com o momento da morte: 1, 2, 3, 5 e 10 dias após a intervenção cirúrgica. Os animais dos grupos 5 e 6 foram subdividos em 2 subgrupos de acordo com o momento da morte: 2 e 10 dias após a intervenção cirúrgica. Os lobos hepáticos remanescentes foram submetidos à análise histomorfométrica, imuno-histoquímica e molecular. RESULTADOS: Verificou-se que no grupo com hepatectomia a 70% houve recuperação do peso do fígado no terceiro dia com aumento da atividade mitótica, enquanto que no grupo com estenose portal não se observou esse fenômeno (p < 0,001). A insulina e o tacrolimus promoveram aumento do peso do fígado e do índice mitótico. A atividade mitótica foi considerada aumentada nos animais dos grupos hepatectomia, hepatectomia + ligadura da artéria, insulina e tacrolimus; e esse parâmetro estava reduzido no grupo submetido à hepatectomia + estenose portal (p < 0,001). A expressão de interleucina 6 estava presente em todos os animais, sendo significativamente maior nos grupos hepatectomia, hepatectomia + ligadura da artéria e significativamente menor no grupo hepatectomia + estenose portal. Entretanto, a administração de tacrolimus ou insulina recuperou os níveis teciduais de interleucina 6 no grupo com estenose portal. CONCLUSÕES: No presente estudo foi padronizado um modelo simples e facilmente reprodutível para estudar a regeneração hepática em ratos em crescimento com redução do fluxo arterial ou venoso para o fígado. Foi demonstrado que a administração de insulina ou tacrolimus é capaz de reverter os efeitos deletérios da estenose portal na regeneração hepática. A obstrução do fluxo arterial não afetou a capacidade regenerativa hepática