Bloedvatregeneratie met stamcellen: nieuwe concepten
Aernout Luttun Centrum voor Moleculaire en Vasculaire Biologie Departement voor Moleculaire en Cellulaire Geneeskunde
Therapiedag Alfagen 27 september 2008 Leuven
Bloedvatregeneratie: waarom? Nagenoeg elk weefsel bevat bloedvaten
Bloedvatregeneratie: waarom? Abnormaal/overvlo edigorgans cancer numerous infectious diseases blood vessels
amyotrophic lateral sclerosis
DiGeorge Syndrome HHT atherosclerosis
adipose tissue
obesity
skin
psoriasis warts allergic dermatitis
Onvoldoende/gebrek kig Alzheimer's disease nervous system blood vessels
atheroslcerosis diabetes restenosis
intestines
gastric ulcerations
skin
hair loss skin wounds
ischemia
eye
diabetic retinopathy retinopathy of prematurity
lung
pulmonary hypertension asthma
lung
emphysema respiratory distress
intestines
inflammatory bowel disease peritoneal adhesions
bone
osteoporosis impaired bone fracture healing
stroke AMI PVD
reproductive system pre-ecclampsia
reproductive system endometriosis ovarian cysts bone/joints
arthritis
Aangepast uit: Carmeliet, P. Nat Med. 2003, 9(6): 653-660
Bloedvatregeneratie: waarom? z Onvoldoende bloedtoevoer vormt de basis van ischemie, mogelijke gevolgen voor meerdere met hart: AMI vitale organen: hersenen: stroke
ledematen: gangreen z Ischemische cardiovasculaire aandoeningen staan bovenaan op de lijst van dodelijke ziekten in PVA: prevalentie: 3-10% (15-20% in mensen > de W. wereld CLI: 500-1000 gevallen/1 miljoen mensen
CLI: zeer slechte prognose:CLI Overgenomen uit: Norgren et al. 45% EurinJ leven met 2 ledematen Vasc Endovasc Surg 2007 (TASCII)
30% geamputeerd
25% mortaliteit
Bloedvatregeneratie: hoe? z vaatgreffe
hoge leeftijd risico factoren diffuse obstructie
‘nooption’
z angioplastie z alternatieve therapieën: gen/proteïne monotherapie (‘therapeutische angiogenese’) VEGF, HIF-1α FGFs (bFGF, FGF-4) HGF
beperkt succes
stamceltherapie (‘therapeutische vasculogenese’)
mobilizatie van endogene stamcellen transplantatie van exogene stamcellen (autoloog of allogeen)
250
240
200
190
1997 EPC
150
140
100
90
50
40
-10 123 45 6 7 8 9 1011 12
19 7 19 174 73 19 -7 7 19 7- 6 80 79 19 8 8 19 3- 2 8 8 19 6-8 5 8 8 19 9-9 92 1 19 -9 9 4 19 5-9 98 7 20 -0 0 0 20 1-0 04 3 -0 6
Aantal publicaties/jaar
Bloedvatregeneratie: de stap naar de kliniek
Perifeer vaatlijden eerste studie:
2002
39 gepubliceerde studies > 750 patiënten
Klinische studies met stamcellen in perifeer vaatlijden
z een aantal trends in deze klinische studies: > 80% van de patiënten zijn CLI patiënten
sommige studies includeren ook patiënten met claudicatio int
meestal casus beschrijvingen of niet placebo gecontroleerd geen dubbel-blinde gerandomiseerde opzet
korte opvolgperiode (gemiddeld 7,9 maanden) transplantatiemethode: hoofdzakelijk intramusculair in 87% van de studies wordt de mononucleaire fractie van beenmerg of perifeer bloed gebruikt klinische resultaten zijn algemeen gunstig, echter: 1 studie rapporteert hoge incidentie aan neg. effecten op termijn 2 lange studies rapporteren geen effect bij patiënten met veel risico factoren
Bloedvatregeneratie: hoe? z vaatgreffe
hoge leeftijd risico factoren diffuse obstructie
‘nooption’
z angioplastie z alternatieve therapieën: gen/proteïne monotherapie (‘therapeutische angiogenese’) VEGF, HIF-1α FGFs (bFGF, FGF-4) HGF
beperkt succes
stamceltherapie (‘therapeutische vasculogenese’)
mobilizatie van endogene stamcellen transplantatie van exogene stamcellen (autoloog of allogeen)
vele hindernissen
Bloedvatregeneratie met stamcellen: ‘horden’
Overgenomen uit: Aranguren et al. J Mol Med. 2008
Dosering, timing, wijze van toediening?
Horde 1: welke stamcellen?
pluripotent
multipotent
Embryonale stamcellen
MAPCs, SSEA1+ MSCs ADSCs MSCs mesoangioblasten
unipotent
BOECs, EPCs
nood aan vergelijkende studies !!!
Horde 2: hoe werken de stamcellen? z direct: incorporatie Kalka, C., et al.
Proc Natl Acad Sci U S A 2000. 97:3422-3427. Kocher, A.A., et al. Nat Med
z indirect: groeifactoren Kinnaird, T., et al.Circ Res 2004. 94:678-685
2001. 7: 430-36
Nakagami, H., et al. Arteriosc Thromb Vasc Biol 2005. 25:2542
Orlic, D., et al. Nature 2001. 410:701-705.
Zentilin, L., et al. Blood 200 107:3546-3554. Grunewald, M., et al. Cell 200 124:175-189.
Horde 3: zijn bloedvaten genoeg? Hersenen
=
bloedvaten
Hart
=
=
neuronen
astrocyten
+ bloedvaten
Skeletale spier
+
+
cardiomyocyten
+ bloedvaten
spiercellen
z twee potentiële strategieën:
combinatie vasculaire en weefselcellen van diverse origine gebruik van multipotente stamcellen
Horde 4a: welke differentiatie status?
ongedifferentie erd ‘lineagecommitted’ terminaal gedifferentieerd
multipotente SCs EPCs mature ECs
Yoon, C.H., et al. 2005. Circulation 112:1618-1627 Kinnaird, T., et al. 2004. Circulation 109:1543-1549 Urbich, C., et al. 2005. Nat Med 11:206-213
Horde 4b: nood aan gespecialiseerde vaten?
vasculaire heterogenit eit
Aangepast uit: P. Carmeliet & K. Alitalo, Cancer Cell, 2002
Arteries, venen en lymfevaten structurele (cellulaire) verschillen
Arteries: wand is Venen: minder gesta-biliseerd met gladde dikke laag gladde spiercellen spiercellen
Lymfevaten: nagenoeg geen gladde spiercellen
Arteriële, veneuze en lymfatische endotheelcellen moleculaire verschillen in 3 endotheliale celtypes Arterial ECs
Venous ECs
Lymphatic ECs
Ephrin-B2 Neuropilin-1 (NP-1)
Eph-B4
Prox-1 Podoplanin
Connexin 40 CD44
CoupTF II Lefty-1 Lefty-2
LYVE-1 CCL21
BMX Delta-like 4 (Dll-4)
Flt-4 Desmoplakin
Notch-1 Notch-4
Macrophage mannose receptor Reelin
ALK-1 Jagged-2
Matrix Gla protein α9 Integrin Neuropilin-2 (NP-2)
Vaatbed-specifieke aandoeningen
venen
lymfevaten
arteries
atherosclero se
varicose
lymfoedeem
Bloedvatregeneratie met stamcellen: ‘horden’ In vivo achterpootischemie studies in muizen 1. Horde 1: welke stamcellen?
MAPCs versus totaal BM
2. Horde 2: Hoe werken stamcellen?direct
of indirect?
3. Horde 3: zijn bloedvaten genoeg? 4. Horde 4a: welke differentiatie status? 5. Horde 4b: nood aan gespecialiseerde vaten?
ongedifferentieerd vs. vasculair gepredifferentieerd
MAPCs in achterpootischemie Achterpoot ischemie muismodellen mild model (C57Bl/6) ≈ claudicatio intermittens z vergelijken van mMAPC-U, mBM mMAPC-VP
z
ernstig model (BalbC/nu:nu) z
≈ kritische ischemie (CLI) z vergelijken van mMAPC-U en hMAPC-U Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Transplantatiemethode en read-outs
Adductor regio Collaterale expansie? z
Gastrocnemius regio z
Spierregeneratie?
Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Transplantatie en differentiatie (1)
Aranguren, X., et al. 2008
MAPCs in achterpootischemie Transplantatie en differentiatie (2)
Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Mild model, vroege effecten
Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Mild model, late effecten
Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Mild model, dag 14 “scharnierpunt”
Aranguren, X., et al. 2008
MAPCs in achterpootischemie Ernstig model
Aranguren, X., et al. JCI,
MAPCs in achterpootischemie Direct of indirect? EC
SMC
SkMC
CD45
mMAPC-U
3±1
3±1
Yes
ND
mMAPC-VP
10±3
10±5
ND
ND
mBMC
ND
ND
ND
98±3
VEGF mMAPC-U mBMC
IGF-1
417±8 198±20 60±6*
43±9*
*P<0.05
Aranguren, X., et al. JCI,
Bloedvatregeneratie met stamcellen: ‘horden’ In vitro differentiatie/specificatie studies 1. Horde 1: welke stamcellen?
MAPCs versus totaal BM
2. Horde 2: Hoe werken stamcellen?direct
of indirect?
3. Horde 3: zijn bloedvaten genoeg? 4. Horde 4a: welke differentiatie status? 5. Horde 4b: nood aan gespecialiseerde vaten?
ongedifferentieerd vs. vasculair gepredifferentieerd
Arterioveneuze specificatie van humane MAPCs Aranguren, Luttun, Clavel, et al. Blood, 2007
differentiatie
humane MAPCs
??? arteriële EC
specificatiie
veneuze EC
Endotheel
Overgenomen uit: Reyes et al. JCI, 2002
Arterioveneuze specificatie van humane MAPCs
hMAPC-EC
hMAPC
CD34 0%
CD34 3.4%
αvβ3 0%
CD105 0%
CD105 95.2%
αvβ3 93.8%
vWF
Tie-1
Tie-2
KDR
AcLDL-DiI
Matrigel
Flt-1
VEGF Aranguren X., Luttun A. Clavel C. et al., Blood 2007
Arterioveneuze specificatie van humane MAPCs Ephrin B1
Fold 100
*
*
10
Dll-4
Fold 100
*
**
**
EphB4
Fold 100
10
*
10
*
1 0.1 7
14
21 days
Hey-2
Fold 100
**
**
1 0
14
21 days
0
7
14
21 days
100
10
10
1
1
0.1
0.1
0.01
7
Ephrin B2
Fold
**
*
1 0.1
0
*
** **
**
*
hAC133+ cells
** **
0.01 0
7
14
Ephrin B1
21 days
0
Hey-2
7
14
21 days
EphB4
e % 80 60 40
**
**
VEGF **
Aranguren X., Luttun A., Clavel 0 7C. et 14 al., 21 days 0 Blood 2007
20
Arterioveneuze specificatie van humane MAPCs Lessen uit zebravissen
Shh VEGF
synectin
Notch arterial angioblast
Arterial branching
Arterioveneuze specificatie van humane MAPCs %
Hey-2
%
%
*
300
100
200
*
100 0 1
2
3
* 4
5
Ephrin B2
Ephrin B1
*
400
100
*
75
75
50
50
25
25
0
0
1
2
3
4
**
5
1
2
*
**
3
4
5
Eph B4 %
1 = VEGF165 (100ng/ml)
150
2 = VEGF165 + cyclopamine 3 = VEGF165 + γ-secretase inhibitor
**
100
4 = VEGF165 + cyclopamine + γ-secretase inhibitor 5 = VEGF165 + Shh + Dll-4
50 0 1
2
3
4
5
arterial % 12
Jagged-2
%
ALDH1A1 *
venous
40
Lefty-1
%
**
60
4
40
8
20
2
0
0
*
4 0
Lefty-2
%
Baseline
1
5
Baseline
1
5
Baseline
1
5
20 0
** Baseline
1
5
Aranguren X., Luttun A. Clavel C. et al., Blood 2007
Bloedvatregeneratie met stamcellen: besluit Conclusies van in vivo en in vitro studies 1. Horde 1: welke stamcellen?
MAPCs > totaal BM
2. Horde 2: Hoe werken stamcellen?indirect
>
direct
3. Horde 3: zijn bloedvaten genoeg? 4. Horde 4a: welke differentiatie status? 5. Horde 4b: nood aan gespecialiseerde vaten?
ongedifferentieerd > vasculair gepredifferentieerd (spiereffect?)
MAPCs kunnen aEC maken in vitro
Dankwoord Stem Cell InstituteCatherine Verfaillie Minneapolis, USA Nathan Harris Beatriz Pelacho QuickTime™ and a QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor TIFF (Uncompressed) Meredithdecompress Seaborn Carlos are neededClavel to see this picture. are needed to see this picture. Joshua Adney April Breyer Betsy Schroeder Tine Decuyper Julianna Hagenbrock vele anderen… CMVB-Vasculogenese Meer externe unit hulp... B. Pelacho, C. Moreno, G. Abidanza, Xabier L. Aranguren J. Merino, M. Uriz, M. Arana, Tom Vervoort A. Echavarri, E. Andreu, I. Peñuelas, Petra Vandervoort F. Prosper (Pamplona, Spain) JM Garcia-Verdugo (Valencia, Spain)
Benoit Hendrickx
Bloedvatregeneratie met stamcellen: nieuwe concepten
Aernout Luttun Centrum voor Moleculaire en Vasculaire Biologie Departement voor Moleculaire en Cellulaire Geneeskunde
Therapiedag Alfagen 27 september 2008 Leuven
