Bone marrow-derived stem cell therapy in acute myocardial infarction

120 Pages·2011·1.55 MB·English

by  Mäkelä, Jussi

D OULU 2011
D 1138
1
1
3
8
UNIVERSITY OF OULU P.O.B. 7500 FI-90014 UNIVERSITY OF OULU FINLAND
ACTA
A UNIVERSITATIS OULUENSIS
A C T A U N I V E R S I T A T I S O U L U E N S I S C
T
A
D
S E R I E S E D I T O R S MEDICA
Jussi Mäkelä
A
SCIENTIAE RERUM NATURALIUM
J BONE MARROW-DERIVED
u
B Senior Assistant Jorma Arhippainen s
s
i

M STEM CELL THERAPY
HUMANIORA
ä
k
C Lecturer Santeri Palviainen e
l IN ACUTE MYOCARDIAL
ä
TECHNICA
INFARCTION
D Professor Hannu Heusala
MEDICA
AN EXPERIMENTAL PORCINE MODEL
E Professor Olli Vuolteenaho
SCIENTIAE RERUM SOCIALIUM
F Senior Researcher Eila Estola
SCRIPTA ACADEMICA
G Director Sinikka Eskelinen
OECONOMICA
Professor Jari Juga
EDITOR IN CHIEF
Professor Olli Vuolteenaho
PUBLICATIONS EDITOR
Publications Editor Kirsti Nurkkala
UNIVERSITY OF OULU, FACULTY OF MEDICINE,
INSTITUTE OF CLINICAL MEDICINE,
DEPARTMENT OF SURGERY,
ISBN 978-951-42-9668-0 (Paperback)
DEPARTMENT OF INTERNAL MEDICINE,
ISBN 978-951-42-9669-7 (PDF) DEPARTMENT OF ANAESTHESIOLOGY,
ISSN 0355-3221 (Print) INSTITUTE OF DIAGNOSTICS,
ISSN 1796-2234 (Online) DEPARTMENT OF DIAGNOSTIC RADIOLOGY,
DEPARTMENT OF PATHOLOGY,
INSTITUTE OF BIOMEDICINE,
DEPARTMENT OF ANATOMY AND CELL BIOLOGY;
CLINICAL RESEARCH CENTER

ACTA UNIVERSITATIS OULUENSIS
D Medica 1138
JUSSI MÄKELÄ
BONE MARROW-DERIVED STEM
CELL THERAPY IN ACUTE
MYOCARDIAL INFARCTION
An experimental porcine model
Academic Dissertation to be presented with the assent of
the Faculty of Medicine of the University of Oulu for
public defence in Auditorium 1 of Oulu University
Hospital, on 9 December 2011, at 12 noon
UNIVERSITY OF OULU, OULU 2011
Copyright © 2011
Acta Univ. Oul. D 1138, 2011
Supervised by
Professor Tatu Juvonen
Professor Petri Lehenkari
Docent Vesa Anttila
Reviewed by
Docent Kari Kuttila
Docent Matti Korhonen
ISBN 978-951-42-9668-0 (Paperback)
ISBN 978-951-42-9669-7 (PDF)
ISSN 0355-3221 (Printed)
ISSN 1796-2234 (Online)
Cover Design
Raimo Ahonen
JUVENES PRINT
TAMPERE 2011
Mäkelä, Jussi, Bone marrow-derived stem cell therapy in acute myocardial
infarction. An experimental porcine model
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of Surgery,
Department of Internal Medicine, Department of Anaesthesiology, Institute of Diagnostics,
Department of Diagnostic Radiology, Department of Pathology, Institute of Biomedicine,
Department of Anatomy and Cell Biology, P.O. Box 5000, FI-90014 University of Oulu,
Finland; Clinical Research Center, P.O. Box 5000, FI-90014 University of Oulu, Finland
Acta Univ. Oul. D 1138, 2011
Oulu, Finland
Abstract
Stem cell therapy has several mechanisms for repairing damaged myocardium and improving
functional capacity of the left ventricle reduced by myocardial infarction. Despite the increase in
scientific data, details of these mechanisms are still partly unexplained. The optimal number and
type of stem cells as well as timing and route of transplantation are unclear. The purpose of this
study was to clarify therapeutic potential of bone marrow-derived stem cells (BM-MNCs) using
experimental porcine acute myocardial infarction model. Myocardial infarction was caused by
occluding the circumflex coronary artery for 90 minutes. Immediately after reperfusion BM-
MNCs were injected directly into the damaged myocardium or by angioplastic catheter into the
infarct-related coronary artery.
Left ventricular ejection fraction (LVEF) improved 3 weeks after infarction in animals that
received BM-MNCs intramyocardially whereas in animals that received intracoronary
transplantation or saline LVEF failed to recover. Radionuclide imaging and histological analysis
showed intramyocardially transplanted cells remaining in the infarcted myocardium, whereas after
intracoronary transplantation a major fraction of cells flushed into the lungs. In histological
analysis minor fraction of BM-MNCs showed differentiation towards myocyte form and
proliferation. Significantly lower collagen density and higher levels of smooth muscle actin and
skeletal muscle actin were detected in the infarcted myocardium after intramyocardial or
intracoronary BM-MNC transplantation compared with animals that received saline. Proteomic
screening indicated that mitochondrial energy metabolism recovered after BM-MNC
transplantation. Additionally, two proteins showed elevated levels after BM-MNC
transplantation, which indicates that they are actively involved in the pathological mechanisms.
BM-MNCs appear to enhance recovery of the infarcted myocardium by restoring the reduced
LVEF after infarction. Intramyocardial stem cell therapy showed best results in recovery. Stem
cell therapy moulds the infarct scar by reducing collagen density and by increasing components
typical for muscle cells. The effects of stem cell therapy are mainly paracrine.
Keywords: bone marrow, experimental surgery, left ventricular ejection fraction,
myocardial infarction, stem cell transplantation, stem cells

Mäkelä, Jussi, Luuytimen kantasojen käyttö akuutin sydäninfarktin hoidossa.
Kokeellinen sian infarktimalli
Oulun yliopisto, Lääketieteellinen tiedekunta, Kliinisen lääketieteen laitos, Kirurgia, Sisätaudit,
Anestesiologia, Diagnostiikan laitos, Radiologia, Patologia, Biolääketieteen laitos, Anatomia ja
solubiologia, PL 5000, 90014 Oulun yliopisto; Kliinisen tutkimuksen keskus, PL 5000, 90014
Oulun yliopisto
Acta Univ. Oul. D 1138, 2011
Oulu
Tiivistelmä
Kantasoluterapian on havaittu korjaavan infarktissa vaurioitunutta sydänlihasta toimintakykyi-
semmäksi usealla mekanismilla sekä parantavan sydänlihaksen pumppaustoimintaa. Huolimat-
ta lisääntyneestä tutkimustiedosta näiden monimutkaisten mekanismien yksityiskohdat ovat
edelleen paljolti selvittämättä. Samoin käytettävien kantasolujen tyypin, määrän, siirtotekniikan
ja siirron ajoituksen optimointi on vielä epäselvää.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kokeellista sian infarktimallia käyttäen luuyti-
men kantasolujen kykyä tehostaa vaurioituneen sydänlihaksen toipumista akuutin infarktin jäl-
keen. Mallissa aiheutettiin sydäninfarkti sulkemalla vasemman sepelvaltimon kiertävähaara 90
minuutiksi. Välittömästi verenkierron uudelleen avaamisen jälkeen luuytimen soluja ruiskutet-
tiin infarktialueelle joko suoraan sydänlihakseen tai sepelvaltimoon.
Kolmen viikon kuluttua infarktista kantasoluja suoraan sydänlihakseen saaneiden eläinten
vasemman kammion ejektiofraktio (LVEF) parani tilastollisesti merkitsevästi verrattuna kanta-
soluja sepelvaltimoon saaneisiin eläimiin ja keittosuolaa saaneisiin eläimiin, joiden LVEF pysyi
infarktin jälkeisellä alentuneella tasolla. Isotooppitutkimus ja histologinen analyysi osoittivat,
että suoraan sydänlihakseen ruiskutetuista kantasoluista valtaosa säilyy infarktialueella kun taas
sepelvaltimoon siirretyt solut pääasiassa ajautuvat keuhkoihin. Histologisessa analyysissa sydän-
lihakseen ruiskutettujen solujen todettiin vähäisessä määrin erilaistuvan lihassolujen suuntaan ja
jakautuvan. Kantasoluja saaneiden eläinten ryhmissä todettiin infarktialueella merkitsevästi
alhaisempi kollageenipitoisuus sekä enemmän sileälihassolujen aktiinia ja poikkijuovaisten
lihassolujen aktiinia kuin keittosuolaa saaneilla eläimillä. Proteomiikka-analyysin tulokset viit-
taavat kantasoluterapian saaneilla eläimillä mitokondrioiden energiatalouden tehostumiseen.
Lisäksi esille tuli kaksi kantasoluterapian jälkeen aktiivista proteiinia, joilla todennäköisesti on
keskeinen tehtävä infarktin patogeneesissä.
Tutkimuksen perusteella luuytimen kantasolut tehostavat sydänlihaksen toipumista infarktis-
ta palauttamalla sydämen alentunutta pumppaustehoa. Suoraan sydänlihakseen annettu kanta-
soluterapia vaikuttaa tehokkaimmalta menetelmältä. Kantasoluterapia muovaa infarktiarpea
vähentämällä kollageenin ja lisäämällä lihassoluille tyypillisten komponenttien määrää. Kanta-
soluterapian vaikutukset ovat pääasiassa parakriinisiä.
Asiasanat: kantasolut, kokeellinen kirurgia, luuydin, sydäninfarkti, vasemman
kammion ejektiofraktio

to my nearest and dearest
8