N-cadherin is essential for retinoic acid-mediated cardiomyogenic differentiation in mouse embryonic stem cells.

Contraction forces developed by cardiomyocytes are transmitted across the plasma membrane through end-to-end connections between the myocytes, called intercalated disks, which enable the coordinated contraction of heart muscle. A component of the intercalated disk, the adherens junction, consists of the cell adhesion molecule, N-cadherin. Embryos lacking N-cadherin die at mid-gestation from cardiovascular abnormalities. We have evaluated the role of N-cadherin in cardiomyogenesis using N-cadherin-null mouse embryonic stem (ES) cells grown as embryoid bodies (EBs) in vitro. Myofibrillogenesis, the spatial orientation of myofibers, and intercellular contacts including desmosomes were normal in N-cadherin-null ES cell-derived cardiomyocytes. The effect of retinoic acid (RA), a stage and dose-dependent cardiogenic factor, was assessed in differentiating ES cells. all-trans (at) RA increased the number of ES cell-derived cardiomyocytes by approximately 3-fold (at 3 x 10(-9) M) in wt EBs. However, this effect was lost in N-cadherin-null EBs. In the presence of supplemented at-RA, the emergence of spontaneously beating cardiomyocytes appeared to be delayed and slightly less efficient in N-cadherin-null compared with wt and heterozygous EBs (frequencies of EBs with beating activity at 5 days: 54+/-18% vs. 96+/-0.5%, and 93+/-7%, respectively; peak frequencies of EBs with beating activity: 83+/-8% vs. 96+/-0.5% and 100%, respectively). In conclusion, cardiomyoyctes differentiating from N-cadherin-null ES cells in vitro show normal myofibrillogenesis and intercellular contacts, but impaired responses to early cardiogenic effects mediated by at-RA. These results suggest that N-cadherin may be essential for RA-induced cardiomyogenesis in mouse ES cells in vitro.

Genetic selection system allowing monitoring of myofibrillogenesis in living cardiomyocytes derived from mouse embryonic stem cells

Embryonic stem (ES) cell-derived cardiomyocytes recapitulate cardiomyogenesis in vitro and are a potential source of cells for cardiac repair. However, this requires enrichment of mixed populations of differentiating ES cells into cardiomyocytes. Toward this goal, we have generated bicistronic vectors that express both the blasticidin S deaminase (bsd) gene and a fusion protein consisting of either myosin light chain (MLC)-3f or human alpha-actinin 2A and enhanced green fluorescent protein (EGFP) under the transcriptional control of the alpha-cardiac myosin heavy chain (alpha-MHC) promoter. Insertion of the DNase I-hypersensitive site (HS)-2 element from the beta-globin locus control region, which has been shown to reduce transgene silencing in other cell systems, upstream of the transgene promoter enhanced MLC3f-EGFP gene expression levels in mouse ES cell lines. The alpha-MHC-alpha-actinin-EGFP, but not the alpha-MHC-MLC3f-EGFP, construct resulted in the correct incorporation of the newly synthesized fusion protein at the Z-band of the sarcomeres in ES cell-derived cardiomyocytes. Exposure of embryoid bodies to blasticidin S selected for a relatively pure population of cardiomyocytes within 3 days. Myofibrillogenesis could be monitored by fluorescence microscopy in living cells due to sarcomeric epitope tagging. Therefore, this genetic system permits the rapid selection of a relatively pure population of developing cardiomyocytes from a heterogeneous population of differentiating ES cells, simultaneously allowing monitoring of early myofibrillogenesis in the selected myocytes

The role of oxytocin in cardiovascular regulation

Studies of body volume expansion have indicated that lesions of the anteroventral third ventricle and median eminence block the release of atrial natriuretic peptide (ANP) into the circulation. Detailed analysis of the lesions showed that activation of oxytocin (OT)-ergic neurons is responsible for ANP release, and it has become clear that activation of neuronal circuitry elicits OT secretion into the circulation, activating atrial OT receptors and ANP release from the heart. Subsequently, we have uncovered the entire functional OT system in the rat and the human heart. An abundance of OT has been observed in the early development of the fetal heart, and the capacity of OT to generate cardiomyocytes (CMs) has been demonstrated in various types of stem cells. OT treatment of mesenchymal stem cells stimulates paracrine factors beneficial for cardioprotection. Cardiovascular actions of OT include: i) lowering blood pressure, ii) negative inotropic and chronotropic effects, iii) parasympathetic neuromodulation, iv) vasodilatation, v) anti-inflammatory activity, vi) antioxidant activity, and vii) metabolic effects. OT actions are mediated by nitric oxide and ANP. The beneficial actions of OT may include the increase in glucose uptake by CMs and stem cells, reduction in CM hypertrophy, oxidative stress, and mitochondrial protection of several cell types. In experimentally induced myocardial infarction in rats, continuous in vivo OT delivery improves cardiac healing and cardiac work, reduces inflammation, and stimulates angiogenesis. Because OT plays anti-inflammatory and cardioprotective roles and improves vascular and metabolic functions, it demonstrates potential for therapeutic use in various pathologic conditions.

Le peptide natriurétique auriculaire induit la différenciation cardiaque dans les cellules souches embryonnaires carcinomateuses de souris P19

Traditionnellement associée à la reproduction féminine, l'ocytocine (OT), une hormone peptidique synthétisée par les noyaux paraventriculaire et supraoptique de l'hypothalamus et sécrétée par l'hypophyse postérieure (neurohypophyse), a été récemment revue et a été démontrée avoir plusieurs nouveaux rôles dans le système cardio-vasculaire. En effet, notre laboratoire a montré que l’OT peut induire la différenciation des cellules souches embryonnaires (CSE) en cardiomyocytes (CM) fonctionnels. À l’aide du modèle cellulaire embryonnaire carcinomateux de souris P19, il a été démontré que ce processus survenait suite à la libération de la guanosine monophosphate cyclique (GMPc) dépendante du monoxyde d’azote. De même, il est connu que le peptide natriurétique auriculaire (ANP), un peptide produit, stocké et sécrété par les myocytes cardiaques, peut aussi induire la production du GMPc. De nombreuses études ont démontré que le cœur ayant subi un infarctus pouvait être régénéré à partir d’une population isolée de cellules souches et progénitrices transplantées. Une de ces populations de cellules, fréquemment isolées à partir d'organes provenant d'animaux aux stades de développement embryonnaire et adulte, appelée « Side Population » (SP), sont identifiées par cytométrie en flux (FACS) comme une population de cellules non marquées par le colorant fluorescent Hoechst 33342 (Ho). Les cellules SP expriment des protéines de transport spécifiques, de la famille ATP-binding cassette, qui ont pour rôle de transporter activement le colorant fluorescent Ho de leur cytoplasme. La sous-population de cellules SP isolée du cœur affiche un potentiel de différenciation cardiaque amélioré en réponse à un traitement avec l’OT. Récemment, l'hétérogénéité phénotypique et fonctionnelle des CSE a été mise en évidence, et cela a été corrélé avec la présence de sous-populations cellulaires ressemblant beaucoup aux cellules SP issues du cœur. Puisque l’ANP peut induire la production du GMPc et qu’il a été démontré que la différenciation cardiaque était médiée par la production du GMPc, alors nous émettons l'hypothèse selon laquelle l’ANP pourrait induire la différenciation cardiaque. Étant donné que les CSE sont composés d’un mélange de différents types cellulaires alors nous émettons aussi l’hypothèse selon laquelle l’utilisation d’une sous-population de CSE plus homogène renforcerait le potentiel de différenciation de l'ANP. Méthodes : Les SP ont été isolées des cellules P19 par FACS en utilisant la méthode d’exclusion du colorant fluorescent Ho. Puis, leur phénotype a été caractérisé par immunofluorescence (IF) pour les marqueurs de l’état indifférencié, d’auto-renouvellement et de pluripotence octamer-binding transcription factor 4 (OCT4) et stage-specific embryonic antigen-1 (SSEA1). Ensuite, la dose pharmacologique optimale d’ANP a été déterminée via des tests de cytotoxicité sur des cellules P19 (MTT assay). Pour induire la différenciation en cardiomyocytes, des cellules à l’état de sphéroïdes ont été formées à l’aide de la technique du « Hanging-Drop » sous la stimulation de l’ANP pendant 5 jours. Puis, des cryosections ont été faites dans les sphéroïdes afin de mettre en évidence la présence de marqueurs de cellules cardiaques progénitrices tels que GATA4, Nkx2.5 et un marqueur mitochondrial spécifique Tom22. Ensuite, les cellules SP P19 ont été stimulées dans les sphéroïdes cellulaires par le traitement avec de l'ANP (10-7 M) ou de l’OT (10-7 M), de l’antagoniste spécifique du guanylate cyclase particulé (GCp) A71915 (10-6 M), ainsi que la combinaison des inducteurs OT+ANP, OT+A71915, ANP+A71915. Après la mise en culture, la différenciation en cardiomyocytes a été identifié par l’apparition de colonies de cellules battantes caractéristiques des cellules cardiaques, par la détermination du phénotype cellulaire par IF, et enfin par l’extraction d'ARN et de protéines qui ont été utilisés pour le dosage du GMPc par RIA, l’expression des ARNm par RT-PCR et l’expression des protéines par immunobuvardage de type western. Résultats : Les sphéroïdes obtenus à l’aide de la technique du « Hanging-Drop » ont montré une hausse modeste de l’expression des ARNm suivants : OTR, ANP et GATA4 comparativement aux cellules cultivées en monocouches. Les sphéroïdes induits par l’ANP ont présenté une augmentation significative des facteurs de transcription cardiaque GATA4 et Nkx2.5 ainsi qu’un plus grand nombre de mitochondries caractérisé par une plus grande présence de Tom22. De plus, L’ANP a induit l’apparition de colonies de cellules battantes du jour 7 (stade précoce) au jour 14 (stade mature) de façon presque similaire à l’OT. Cependant, la combinaison de l’ANP avec l’OT n’a pas induit de colonies de cellules battantes suggérant un effet opposé à celui de l’OT. Par IF, nous avons quantifié (nombre de cellules positives) et caractérisé, du jour 6 au jour 14 de différenciation, le phénotype cardiaque de nos cellules en utilisant les marqueurs suivants : Troponine T Cardiaque, ANP, Connexines 40 et 43, l’isoforme ventriculaire de la chaîne légère de myosine (MLC-2v), OTR. Les SP différenciées sous la stimulation de l’ANP ont montré une augmentation significative du GMPc intracellulaire comparé aux cellules non différenciées. À notre grande surprise, l’antagoniste A71915 a induit une plus grande apparition de colonies de cellules battantes comparativement à l’OT et l’ANP à un jour précoce de différenciation cardiaque et l’ajout de l’OT ou de l’ANP a potentialisé ses effets, augmentant encore plus la proportion de colonies de cellules battantes. De plus, la taille des colonies de cellules battantes était encore plus importante que sous la simple stimulation de l’OT ou de l’ANP. Les analyses radioimmunologiques dans les cellules SP P19 stimulés avec l’ANP, A71915 et la combinaison des deux pendant 15min, 30min et 60min a montré que l’ANP stimule significativement la production du GMPc, cependant A71915 n’abolit pas les effets de l’ANP et celui-ci au contraire stimule la production du GMPc via des effets agonistes partiels. Conclusion : Nos résultats démontrent d’une part que l’ANP induit la différenciation des cellules SP P19 en CM fonctionnels. D’autre part, il semblerait que la voie de signalisation NPRA-B/GCp/GMPc soit impliquée dans le mécanisme de différenciation cardiaque puisque l’abolition du GMPc médiée par le GCp potentialise la différenciation cardiaque et il semblerait que cette voie de signalisation soit additive de la voie de signalisation induite par l’OT, NO/GCs/GMPc, puisque l’ajout de l’OT à l’antagoniste A71915 stimule plus fortement la différenciation cardiaque que l’OT ou l’A71915 seuls. Cela suggère que l’effet thérapeutique des peptides natriurétiques observé dans la défaillance cardiaque ainsi que les propriétés vasodilatatrices de certains antagonistes des récepteurs peptidiques natriurétiques inclus la stimulation de la différenciation des cellules souches en cardiomyocytes. Cela laisse donc à penser que les peptides natriurétiques ou les antagonistes des récepteurs peptidiques natriurétiques pourraient être une alternative très intéressante dans la thérapie cellulaire visant à induire la régénération cardiovasculaire.