Open Access

Johannes Reinhold

• Knochenmarkszellen sowie zirkulierende endotheliale Progenitorzellen (EPC) beteiligen sich an der Neovaskularisation ischämischen Gewebes im Tiermodell und wurden nach Myokardinfarkt in ersten klinischen Studien erfolgreich eingesetzt. Stromal cell derived factor-1 (SDF) ist der physiologische Ligand des CXCR4-Rezeptors, der auf hämatopoietischen Stammzellen sowie auf EPC exprimiert ist. Der CXCR4-Rezeptor ist entscheidend für das Homing von hämatopoietischen Stammzellen und für die unktionelle Aktivität von EPC. Eine Aktivierung des CXCR4-Rezeptors führt zur Phosphorylierung und Aktivierung der Janus Kinase 2 (JAK2), Phosphatidylinositol 3 (PI3)-Kinase sowie der Aktivierung fokaler Adhäsionsproteine, entscheidende Schritte für die SDF induzierte Migration von CXCR4+ Zellen. EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung sind funktionell eingeschränkt, jedoch sind die genauen Mechanismen dieser Einschränkung bislang nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es die funktionelle Aktivität von mononukleären Zellen aus dem Knochenmark (BM-MNC) von heterozygoten CXCR4+/- Mäusen mit denen von homozygoten CXCR4+/+ Mäusen zu vergleichen. Im Weiteren sollte die Phosphorylierung von JAK2 in BM-MNC dieser Mäuse sowie in EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung und gesunden Probanden untersucht werden. Die CXCR4-Expression auf der Oberfläche von BM-MNC von heterozygoten CXCR4+/- Mäusen ist signifikant niedriger als die CXCR4-Expression auf BM-MNC von homozygoten CXCR4+/+ Mäusen. BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen zeigten eine eingeschränkte funktionelle Kapazität die Perfusion im Hinterlaufischämiemodell der athymischen Nacktmaus nach Transplantation zu verbessern verglichen zu BM-MNC von CXCR4+/+ Mäusen. CXCR4+/- Mäuse zeigten eine signifikant erniedrigte Erholung nach Anlage einer Hinterlaufischämie verglichen zu CXCR4+/+ Mäusen. Die reduzierte Erholung der CXCR4+/- Mäuse konnte durch Transplantation von BM-MNC aus CXCR4+/+ Mäusen verbessert werden. Die JAK2-Phosphorylierung in BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen war signifikant niedriger als bei CXCR4+/+ Mäusen. EPC von Patienten mit koronarer Herzerkrankung (KHK) hatten eine niedrigere basale JAK2-Phosphorylierung verglichen zu EPC von gesunden Probanden und die JAK2- Phosphorylierung in EPC von Patienten mit KHK ließ sich weniger stark durch SDF stimulieren als in EPC von gesunden Probanden. Die vorliegende Arbeit unterstützt die Rolle des CXCR4-Rezeptors für die funktionelle Aktivität von Progenitorzellen in vivo. Sowohl die funktionell eingeschränkten BM-MNC von CXCR4+/- Mäusen als auch EPC von Patienten mit KHK zeigen eine verringerte JAK2 Phosphorylierung verglichen zu CXCR4+/+ Zellen bzw. EPC von gesunden Probanden. Eine Aktivierung des SDF-CXCR4-Signaltransduktionsweges könnte therapeutisch eingesetzt werden um die funktionelle Aktivität der Zellen vor der klinischen Stammzelltransplantation zu verbessern.
• Bone marrow cells as well as circulating endothelial progenitor cells (EPC) contribute to neovascularization of ischemic tissues in animal models and have successfully been used after myocardial infarction in pilot clinical trials. Stromal cell derived factor-1 (SDF) is the physiological ligand of the CXCR4 receptor, which is expressed on hematopoietic stem cells and EPC. The CXCR4 receptor is crucial for the homing of hematopoietic stem cells and the functional activity of EPC. Activation of the CXCR4 receptor leads to phosphorylation and activation of the Janus Kinase 2 (JAK2), Phosphatidylinositol 3 (PI3)- Kinase and the activation of focal adhesion proteins; important steps for SDF induced migration of CXCR4+ cells. EPC derived from patients with coronary artery disease are functionally impaired, but the exact mechanism of this impairment still needs to be determined. The aim of this study was to compare the functional activity of bone-marrow derived mononuclear cells (BM-MNC) from heterozygous CXCR4+/- mice with BM-MNC from homozygous CXCR4+/+ mice. Furthermore, phosphorylation-levels of JAK2 in BM-MNC was compared in these mice-strains as well as in EPC derived from patients with coronary artery disease and healthy volunteers. CXCR4 surface expression of BM-MNC from heterozygous CXCR4+/- mice was significantly lower compared to CXCR4 expression of BM-MNC from homozygous CXCR4+/- mice. BM-MNC derived from CXCR4+/- mice were functionally impaired in improving blood flow recovery in the ischemic hind limb model of athymic nude mice compared to BM-MNC derived from CXCR4+/+ mice. Furthermore, CXCR4+/- mice demonstrated significantly reduced recovery after induction of hind limb ischemia compared to CXCR4+/+ mice. The reduced recovery could be improved after transplantation of BM-MNC derived from CXCR4+/+ mice. JAK2-phosphorylation was significantly lower in BM-MNC derived from CXCR4+/- mice compared to CXCR4+/+ mice. Basal JAK2-phosphorylation in EPC from patients with coronary artery disease was lower compared to EPC derived from healthy volunteers and JAK2 phosphorylation after SDF stimulation was impaired. This study supports the role of the CXCR4 receptor for the functional activity of progenitor cells in vivo. Both the functionally impaired BM-MNC from CXCR4+/- mice as well as EPC form patients with coronary artery disease had a lower JAK2 phosphorylation compared to BM-MNC from CXCR4+/+ mice and EPC derived from healthy volunteers, respectively. Activation of the SDF-CXCR4 signaling pathway might be used to improve the functional activity of progenitor cells before stem cell therapy.