Cardiac electromechanical performance following stem cell based regenerative therapies in infarcted rat heart

Abstract

Scopo: Gli effetti elettrofisiologici conseguenti all’utilizzo di terapie rigenerative basate su cellule staminali in campo cardiologico non sono ancora stati sufficientemente chiariti. Abbiamo voluto affrontare questo problema utilizzando un modello di ratto con infarto miocardico cronico sottoposto a diversi approcci rigenerativi: (i) iniezioni intramiocardiche di Fattore di crescita Insulino-simile (Insulin-like Growth Factor-1: IGF-1) e Fattore di crescita Epatico (Hepatocyte Growth Factor: HGF) al fine di attivare il pool di cellule progenitrici residenti; (ii) iniezioni locali di cellule progenitrici cardiache (CPCs), EGFP-positive (Enhanced-Green Fluorescent Protein) e marcate con QDots. Queste ultime sono state addizionate o meno con HGF+IGF-1 (GFs). Metodi: Ratti maschi Wistar con infarto miocardico cronico di 4 settimane sono stati sottoposti ad iniezioni di: (i) HGF+IGF-1 (gruppo MI-GF), (ii) CPCs (gruppo MI-cells) e (iii) CPCs addizionate con fattori di crescita (gruppo MI-cells+GF) e contemporaneamente strumentati con una pompa osmotica sottocutanea per il rilascio continuo di BrdC per la determinazione dei processi rigenerativi. Prima e due settimane dopo il trattamento si determinava la funzionalità elettrica e meccanica del cuore. In particolare, venivano eseguite delle registrazioni elettrocardiografiche telemetriche durante attivazione neurovegetativa (stress sociale), ottenuta sottoponendo l’animale ad interazione con un conspecifico aggressivo, per la valutazione degli eventi aritmici ventricolari (EAV). Sui tracciati elettrocardiografici sono stati determinati anche l’intervallo R-R e gli indici indiretti dell’input neurovegetativo al cuore SDRR e rMSSD. Prima del sacrificio, i ratti sono stati sottoposti ad esame ecocardiografico e/o a misure emodinamiche invasive. Infine, il cuore è stato arrestato in diastole, perfuso con formalina ed utilizzato per uno studio morfometrico ed immunoistochimico. Risultati: L’infarto miocardico ha determinato un peggioramento della funzionalità meccanica associato ad una aumentata incidenza e complessità degli EAV da stress rispetto agli animali sham-operated. Mentre l’iniezione di HGF+IGF-1 ha determinato una riduzione degli EAV da stress di circa due volte nel 68% degli animali del gruppo MI-GF, il trattamento con CPCs+GFs, ha portato ad una riduzione di circa tre volte nella totalità degli animali del gruppo MI-cells+GF. Il trattamento con CPCs si è dimostrato completamente inefficace da punto di vista antiaritmico. La frequenza cardiaca e gli indici SDRR e rMSSD non hanno mostrato differenze rilevanti tra i vari gruppi sperimentali. Il gruppo MI-GF ha mostrato un parziale recupero della funzionalità meccanica associato ad un rimodellamento ventricolare positivo. Un completo recupero della funzionalità meccanica ed una netta riduzione delle alterazioni strutturali del ventricolo sinistro conseguenti all’infarto si ottenevano invece mediante trattamento con CPCs o con CPCs+GFs. L’analisi immunoistochimica ha mostrato la formazione nell’area peri-infartuale e nell’area infartuata, sia di miociti elettricamente e meccanicamente connessi con il miocardio risparmiato dall’infarto sia di nuove strutture vascolari, per tutti i trattamenti analizzati. Tuttavia, l’analisi quantitativa ha mostrato che i processi rigenerativi erano più pronunciati nel gruppo MI-cells+GF. Conclusioni: I nostri risultati evidenziano che, tra le varie terapie rigenerative utilizzate in questo studio, l’iniezione di CPCs+GF oltre a costituire l’approccio più efficiente per il recupero delle proprietà elettrofisiologiche del cuore infartuato, è in grado di determinare anche più marcato recupero della funzionalità meccanica cardiaca. Questo suggerisce come il cambiamento del microambiente sia in grado di favorire l’engraftment e potenziare la capacità rigenerativa propria delle CPCs in termini sia di migrazione che differenziazione ed integrazione nel tessuto ospite.

Aim: The electrophysiological effects of stem cells based therapies in heart repair have not been systematically analyzed. We addressed this issue in a rat model of chronic myocardial infarction (MI). Regenerative treatments consisted of: (i) intra-myocardial injection of Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1) and Hepatocyte Growth Factor (HGF) in order to activate resident cardiac progenitor cells; (ii) local injection of Enhanced-Green Fluorescent Protein (EGFP)-positive cardiac progenitors cells (CPCs) labeled with Quantum Dots. CPCs were used either alone or associated with HGF and IGF-1. Methods: Male Wistar rats with 4-week old MI were studied. Animals were subjected to injections of: (i) HGF+IGF1 (MI-GF group), (ii) CPCs (MI-cells group) and (iii) CPCs supplemented with HGF+IGF-1 (MI-cells+GF). To detect regenerative processes, a continuous infusion of BrdC via an osmotic pump was also started. Ventricular arrhythmias (VAEs) occurring during stress-induced autonomic stimulation (social stress: resident-intruder test) were telemetrically recorded in conscious and freely moving animals, prior and two weeks after treatment. On the ECG tracings, the mean heart rate and heart rate based indices of the autonomic input to the heart (SDRR: standard deviation of the mean R-R interval: rMSSD: square root of the mean squared differences of successive R-R intervals) were also determined. Before sacrifice, invasive echocardiographic and/or hemodynamic measurements were performed. The heart was then perfusion-fixed for morphometric and immunohistochemical studies. Results: Myocardial infarction worsened cardiac mechanical performance and increased the proneness to stress-induced VAEs as compared to sham operated rats. Cytokine injection significantly reduced VAEs by two-fold in 68% of MI-GF rats while the injection of CPCs supplemented with growth factors (GFs) resulted in a higher reduction of VAEs (three-fold), involving 100% of MI-cells+GF rats. Conversely, the treatment with CPCs alone was ineffective. No definite differences among groups were found in heart rate, SDRR and rMSSD values. In MI-GF group a partial recovery of cardiac hemodynamic parameters in association with a positive remodeling of the left ventricle was observed. Treatment with CPCs or CPCs+GFs determined a complete recovery of myocardial mechanical function and further reduced the alterations in left ventricular structure. Formation of electro-mechanically competent myocytes and vascular structures occurred in the infarcted and peri-infarcted areas in all rats submitted to regenerative approaches, as revealed by immunohistochemical studies. However, regenerative processes were more pronounced in MI-cells+GF group. Conclusions: Our results indicate that, among the different regenerative therapies employed in the study, the injection of CPCs+GFs constitutes the most efficient approach for the recovery of electrophysiological properties of the infarcted heart. This treatment also determined a significant improvement of mechanical function suggesting that cytokines by changing the unfavorable microenvironment, favored the engraftment and differentiation of the injected CPCs promoting their natural role in heart repair.