Universität zu Köln

Characterization of key mechanisms involved in transmigration and invasion of mesenchymal stem cells

Steingen, Caroline (2008) Characterization of key mechanisms involved in transmigration and invasion of mesenchymal stem cells. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Stem cell therapy using human adult mesenchymal stem cells (MSCs) has emerged as a novel strategy for the treatment of a variety of damaged tissues. For a successful systemic stem cell therapy MSCs have to exit the blood circulation by transmigrating across the endothelium and invading into the target tissue. Elevating our knowledge on these core processes might help to optimize stem cell based therapies. The first part of the present study provides insights into key mechanisms involved in the transmigration and invasion of MSCs. Different model systems as well as in vivo studies revealed that MSCs quickly come into contact with the endothelium and subsequently exit the blood circulation by (1) integrating into the endothelium, (2) transmigrating across the endothelial barrier via the insertion of plasmic podia, (3) penetrating the basement membrane and subsequently invading the surrounding tissue. Additionally, it was proven that transmigration of human MSCs not only requires the interaction of very late antigen-4 (VLA-4) and its most important ligand vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1), but also triggers a clustering of beta 1 integrins. Furthermore, upon invading into cardiac tissue MSCs secrete active matrix metalloproteinase (MMP)-2, but not MMP-9. This study also demonstrates that both the time course and the morphological aspects of MSC transmigration differ depending on the endothelial phenotype, thus indicating, that a variable capacity for transendothelial migration exists within the vasculature. Furthermore, addition of cytokines, mainly vascular endothelial growth factor (VEGF) and erythropoietin (EPO), accelerate the transmigration of MSCs at early stages. Moreover, nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS) are released by MSCs upon contact with endothelial cells; manipulating the NO and ROS system by donors and inhibitors resulted in alterations of the transmigratory capacity of MSCs. The second part of the study deals with two possible strategies to enhance the transmigration of MSCs and thereby their therapeutic effectiveness. First, the results demonstrate that genetic modification of MSCs using adenoviral overexpression of the chemokine receptor CXCR4 does not lead to an increase in the transmigration efficiency. Second, focussed pretreatment of the endothelium by a novel and non-invasive technique using ultrasound-mediated microbubble stimulation (UMS) induces a targeted improvement of MSC attraction, transmigration and invasion into non-ischemic as well as into ischemic myocardium. This effect was most likely due to the release of nitric oxide, cytokines and the regional activation of proteases. Thus, UMS represents a forward-looking possibility to increase the efficiency of MSC engraftment by modulating the process of transmigration in a targeted and non-invasive manner.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    er. Adulte mesenchymale Stammzellen (MSCs) werden bereits für die Therapie verschiedener Krankheiten klinisch eingesetzt. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung von Schlüsselmechanismen, die an der Transmigration von MSCs über die Endothelbarriere und der Invasion in ein Zielgewebe beteiligt sind. Beide Prozesse sind die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Stammzelltherapie, da MSCs stets das Blutgefäßsystem verlassen müssen, um in umgebendes Gewebe einzuwandern. Versuche mit verschiedenen Modelsystemen sowie in vivo Experimente ergaben, dass MSCs schnell Kontakt zur Endothelbarriere aufnehmen und anschließend die Blutbahn über folgende Schritte verlassen: (1) durch eine Integration in das Endothel, (2) durch die Transmigration über die Endothelbarriere, vermittelt durch die Ausbildung von Zellfortsätzen, (3) durch Penetration der Basalmembran und anschließende Invasion in das umgebende Gewebe. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Transmigration humaner MSCs durch die Interaktion der Oberflächenmoleküle VLA-4 und VCAM-1 vermittelt wird und in einer regionalen Ansammlung von beta 1-Integrinen resultiert. Desweiteren schütten MSCs aktive Matrix-Metalloproteinase (MMP)-2, nicht aber MMP-9 aus, um in Herzmuskelgewebe einzudringen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass sowohl der zeitliche Verlauf als auch die morphologischen Aspekte der Transmigration vom Phänotyp der Endothelzellen abhängig sind. Dies deutet auf Unterschiede in der Effizienz der Transmigration innerhalb des Gefäßsystems � abhängig vom Gefäßtyp � hin. Außerdem beschleunigt die Zugabe von Zytokinen, besonders VEGF und EPO, zu Beginn der Transmigration den Ablauf des Prozesses. Auch ergaben Versuche, dass MSCs, sobald sie Kontakt zu Endothelzellen aufnehmen, vermehrt Stickstoffmonoxid (NO) und reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) freisetzen. Veränderungen des NO- oder ROS-Haushaltes resultierten in Abweichungen der transmigratorischen Fähigkeit der MSCs. Der letzte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit zwei möglichen Ansätzen, die therapeutische Effizienz von MSCs zu erhöhen. Einerseits zeigte sich, dass eine genetische Modifikation der Stammzellen durch adenovirale Überexpression des Chemokin-Rezeptors CXCR4 keine Verbesserung ihrer transmigratorischen Aktivität zur Folge hat. Andererseits verbesserte eine gezielte Vorbehandlung des Endothels durch eine neuartige und nicht-invasive Technik, die Ultraschall-vermittelte Mikrobläschen-Stimulierung (UMS), sowohl die Anlockung als auch die Transmigration und Invasion von MSCs in gesundes und ischämisches Herzmuskelgewebe. Diese regionale Verbesserung wurde vermutlich durch die Ultraschall-vermittelte Freisetzung von Stickstoffmonoxid und Zytokinen, sowie die lokale Aktivierung von Matrix-Metalloproteinasen erzielt. Daher stellt die Ultraschall-vermittelte Mikrobläschen-Stimulierung eine zukunftsweisende Möglichkeit dar, die therapeutische Effizienz von MSCs lokal und nicht-invasiv zu erhöhen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Steingen, Carolinesteingen.c@gmx.net
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-23446
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Stammzellen, Endothel, Ultraschall, MyokardGerman
    stem cells, endothelium, ultrasound, myocardiumEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 15 April 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Jul 2008 10:57:57
    Referee
    NameAcademic Title
    Bloch, WilhelmProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2344

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