UvA-DARE (Digital Academic Repository)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)
The myocardial potential of proepicardial cells: From development to cardiac
regeneration
van Wijk, A.
Link to publication
Citation for published version (APA):
van Wijk, A. (2010). The myocardial potential of proepicardial cells: From development to cardiac regeneration
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),
other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating
your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask
the Library: http://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,
The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)
Download date: 18 Jul 2017
Samenvatting
Het vermogen van het hart zich te herstellen na beschadiging wordt de regeneratieve
capaciteit van het hart genoemd. Deze capaciteit is goed ontwikkeld in de harten van lagere
gewervelde dieren zoals vissen en salamanders, maar is zeer gering in zoogdierharten. In
deze harten worden na een infarct de afgestorven hartspiercellen niet vervangen door
hartspiercellen, maar door bindweefselcellen waardoor de pompfunctie van het hart
afneemt en het hart uiteindelijk gaat falen. Om de functie van het hart te herstellen zijn
hoe dan ook nieuwe hartspiercellen nodig. Het behoeft geen betoog dat inzicht in het
proces van hartspiercelvorming van groot klinisch belang is. In dit proefschrift hebben
we ons geconcentreerd op de vraag welke signaaleiwitten en signaaltransductiepaden in
het embryo belangrijk zijn voor de differentiatie van voorlopercellen in hartspiercellen of
bindweefselcellen.
Tijdens de embryonale ontwikkeling van het hart vindt de signalering plaats die
bepaalt of een voorlopercel differentieert tot hartspiercel of niet. Met de huidige technieken
is het mogelijk dit proces te bestuderen. Dit biedt een unieke mogelijkheid de mechanismen
van hartspiercelvorming te ontrafelen. Het vroege embryonale hart is niet meer dan een
peristaltisch kloppend buisje, waarvan de wand uitsluitend is opgebouwd uit hartspiercellen.
In het volgroeide hart, daarentegen, maken de hartspierspiercellen slechts 30% van het
totaal uit en vormen bindweefselcellen een majeure component van de rest van de cellen.
Tijdens de embryonale ontwikkeling worden zowel hartspiercellen als bindweefselcellen
aan het hart toegevoegd. Het embryonale hart groeit doordat aan beide polen van het hart
cellen worden toegevoegd. Aan de instroom pool, of veneuze pool, van het hart worden
naast hartspiercellen ook bindweefselcellen toegevoegd. Via het zogenoemde pro-epicard,
een “bloemkoolachtige” structuur, die zich op de instroompool van het hart vormt, wordt
het merendeel van de bindweefselcellen aan het ontwikkelende hart toegevoegd. Het proepicard vormt uitlopers die contact maken met de hartbuis en vervolgens uitgroeien over
het gehele hart, dat aanvankelijk “naakt” in de pericardholte ligt. De cellaag die vanuit het
pro-epicard uitgroeit over het hart wordt het epicard genoemd. Uit het epicard ontstaan
gedurende de verdere ontwikkeling het merendeel van de bindweefselcellen van het
volwassen hart en de cellen van de coronairvaten. Tijdens de ontwikkeling van het proepicard vindt er dus een belangrijk proces plaats waarbij embryonale cellen als hartspiercel
of als bindweefselcel aan het hart worden toegevoegd. We noemen dit een “lineage switch”.
Inzichten in de regulatie van dit proces kunnen een basis vormen om het proces van
bindweefselvorming in plaats van hartspiercelvorming na een infarct te beïnvloeden.
In dit proefschrift worden inzichten gegeven in de afsplitsing van het pro-epicard
uit cardiale voorlopercellen, de capaciteit van het pro-epicard om tot hartspiercel te
differentiëren en de signaalmoleculen die de differentiatie van pro-epicard en myocard
reguleren. Tenslotte is de rol van het epicard na een infarct in het volwassen hart geanalyseerd.
Samenvatting
205
In hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van de ontwikkeling van het hart. In dit
hoofdstuk worden de hartvelden, de deling in het embryonale hart en de bijdrage van cellen
uit het endocard, myocard en het epicard besproken. Naast deze ontwikkelingsbiologische
inzichten is in dit hoofdstuk de potentiële toepasbaarheid van deze inzichten in de
ontwikkeling van nieuwe regeneratieve therapieën beschreven.
Hoofdstuk 2 bevat een overzicht van de rol van Bone Morphogenetic Proteins
(BMPs), een familie van signaaleiwitten, tijdens de ontwikkeling van het hart. BMPs spelen
een belangrijke rol bij de differentiatie van het mesoderm van de hartvelden tot hartspiercel.
In het embryonale hart spelen BMPs een belangrijke regulerende rol in de ontwikkeling van
het pro-epicard, het atrioventriculaire kanaal en de septa van het hart. Daarnaast zijn BMPs
belangrijke regulators in de differentiatie van stamcellen tot hartspiercellen.
De volgende vier hoofdstukken richten zich op de regulatie van de differentiatie
van het pro-epicard. In hoofdstuk 3 tonen we in kweek aan dat pro-epicardcellen, ondanks
dat deze tijdens de ontwikkeling vooral bijdragen aan de bindweefselcellen van het hart,
de capaciteit behouden om tot hartspiercel te differentiëren. De signaaleiwitten BMP en
Fibroblast Growth Factor (FGF) spelen bij deze differentiatie een belangrijke rol. In hoofdstuk
4 wordt in cel-labelingsexperimenten aangetoond dat pro-epicardcellen en hartspiercellen
van de instroom van het hart ontstaan uit een gemeenschappelijke voorloperpopulatie.
De afsplitsing van beide celtypen uit de voorloperpopulatie wordt gereguleerd door een
intracellulaire interactie van twee verschillende signaaltransductie paden, namelijk die van
BMP en FGF. Een signaaltransductiepad is het proces waarbij een biologisch signaal via de
activatie van een receptor op de celmembraan leidt tot een intracellulaire response. In het
pro-epicard wordt de differentiatie tot hartspiercel geremd doordat het FGF-signaal via
Erk de activatie van het BMP-signaal via Smad blokkeert. Dit inzicht maakt het mogelijk de
differentiatie naar hartspiercel te stimuleren, zoals we hebben aangetoond in in vitro en in
vivo experimenten. In hoofdstuk 5 wordt een overzicht gegeven van de gemeenschappelijke
oorspong van het pro-epicard en de hartspiercellen van de instroompool van het hart. Op
basis van de in de literatuur beschreven traditionele labelings- en genetische labelingsstudies
wordt beargumenteerd dat het pro-epicard wordt gevormd uit cardiale voorlopercellen. In
hoofdstuk 6 wordt met behulp van een genoomwijde expressieanalyse van verschillende
pro-epicard- en epicard-ontwikkelingsstadia gezocht naar genen die een rol spelen bij de
differentiatie tot hartspiercel. Uit deze vergelijking blijkt dat het Wnt signaaltransductiepad
waarschijnlijk een belangrijke factor is voor de differentiatie van voorlopercellen tot
hartspiercel. Het signaaleiwit Wnt-inhibiting factor-1 (Wif1), een natuurlijke extracellulaire
remmer van Wnt-signalering, stimuleert in vivo en in vitro hartspiervorming.
De bevinding dat pro-epicardcellen de capaciteit behouden tot hartspiercel te
differentiëren en het inzicht in de signalen die deze differentiatie reguleren, maken het
epicard tot een potentieel interessante populatie voor de regeneratie van het volwassen
hart. In hoofdstuk 7 is deze hypothese onderzocht in muizen met genetisch gemarkeerde
epicardcellen, waarin met een operatie een hartinfarct is geïnduceerd. Uit dit onderzoek
206
blijkt dat het epicard, evenals hartspiercellen, direct na het ontstaan van het infarct sterft.
Het epicard, echter, groeit na één dag vanuit de wondranden van het infarct uit over het
gehele geïnfarceerde gebied en brengt genen tot expressie die ook tijdens de embryonale
ontwikkeling van het pro-epicard actief zijn. Het geactiveerde epicard vormt vervolgens
mesenchymale cellen. Deze mesenchymale cellen differentiëren vooral tot bindweefselcellen.
Maar, veel belangrijker, deze studie laat zien dat deze cellen ook hartspiercellen vormen.
De hoeveelheid hartspiercellen die wordt gevormd is echter niet voldoende om het hart
te herstellen. Deze reactie van het epicard blijkt een evolutionair geconserveerd proces te
zijn. In lagere gewervelde dieren, zoals vissen, die wel in staat zijn hun hart te regenereren
na schade, wordt het epicard ook geactiveerd. Dezelfde genen en signalen die tijdens de
ontwikkeling de differentiatie van voorlopercellen in hartspier- versus bindweefselcel
reguleren, worden in het epicard van het volwassen hart na een infarct geactiveerd.
Dit onderzoek toont aan dat, in tegenstelling tot het algemeen aanvaarde dogma dat
het zoogdierhart niet in staat is te regenereren, beschadiging van het zoogdierhart een
regeneratieve response induceert, waarbij embryonale processen worden gereactiveerd, zij
het dat onvoldoende hartspiercellen worden gevormd. Met deze inzichten kunnen nieuwe
therapieën worden ontwikkeld waarin deze endogene regeneratieve capaciteit van het hart
gestimuleerd wordt om zo het hart te laten herstellen. Dit vormt het uitgangspunt voor een
nieuwe benadering van hartregeneratie.
Translationeel perspectief
In de translatie van het in dit proefschrift gepresenteerde onderzoek naar de kliniek staat
de vraag centraal hoe de endogene regeneratieve reactie van het hart gestimuleerd kan
worden. En in het verlengde hiervan de basale vraag waarom dezelfde regeneratieve
respons in lagere vertebraten tot nieuwe hartspiercellen leidt en in het zoogdierhart vooral
tot bindweefselvorming.
Er zijn een aantal mogelijke redenen waarom lagere vertebraten een hoger regeneratief
vermogen hebben dan zoogdieren. (1) Vissen en zoogdieren vertonen opvallende verschillen
in de capaciteit te kunnen blijven groeien gedurende hun leven. Een aantal vissoorten,
zoals de zebravis, behoudt onder de juiste omstandigheden de capaciteit tot onbepaalde,
onbeperkte groei.1-4 Zoogdieren echter, bereiken een maximale grootte.1,3,5 De regeneratieve
capaciteit in groeiende dieren is groter dan in dieren die volwassen zijn en hun maximale
grootte hebben bereikt.6-9 (2) Koudbloedige dieren, zoals vissen en salamanders, hebben
een lager metabolisme dan warmbloedige dieren. Als gevolg van hun hogere metabolisme
hebben zoogdieren een hogere lichaamstemperatuur en een hogere bloeddruk. Hierdoor
zijn zoogdieren kwetsbaarder voor infecties van wonden en bloedingen als gevolg van
de verwonding.10 Daarom is het voor zoogdieren cruciaal dat de wond snel wordt gedicht
zodat de bloeding stopt en het risico op infectie afneemt, ook al leidt dit tot beperkingen.
Om een snelle wondheling te bewerkstelligen wordt een ontstekingsreactie geactiveerd.
Hoewel dit voor het zoogdier levensreddend is, staat het een volledige regeneratie van het
Samenvatting
207
aangedane lichaamsdeel in de weg. (3) Bovendien hebben zoogdieren en vissen, zoals al is
genoemd, te maken met totaal andere hemodynamische karakteristieken.11 De vis heeft een
relatief groot bloedvolume dat in lage druk wordt rondgepompt. De hoge energiebehoefte
van zoogdieren, daarentegen, heeft gedurende de evolutie geleid tot een bloedcirculatie
die gekenmerkt wordt door een relatief klein bloedvolume dat in hoge druk wordt
rondgepompt. In overeenstemming hiermee heeft het zoogdierhart een dikke compacte
hartspierlaag, verantwoordelijk voor krachtige synchrone contracties. Die laag heeft de vis
niet; deze heeft een zogenoemd trabeculair, sponsachtig hart. Door de hoge bloeddruk heeft
het zoogdierhart bij schade die de wand van het hart verzwakt, een groot risico te scheuren.
Net als bij de beschadigde ledematen, moet de ventrikelwand snel worden verstevigd op de
geïnfarceerde plek om scheuring te voorkomen, ook al gaat dit uiteindelijk ten koste van de
contractiekracht van het hart.
Het is opmerkelijk en klinisch zeer interessant dat de initiële regeneratieve reactie op
schade in het zoogdierhart evolutionair geconserveerd is en vergelijkbaar met die van de
vis. Het lijkt erop dat de mogelijkheid tot regeneratie in principe nog aanwezig is maar niet
volledig afgemaakt wordt of kan worden. De reden hiervoor kan gezocht worden in de
hoge druk waarmee het hart te maken heeft. Het is bekend dat het hart de eerste week na
een infarct het meest kwetsbaar is voor wandrupturen.12 Hiervoor is bindweefselvorming
juist levensreddend. Een mogelijke aanpak om de regeneratie van het zoogdierhart te
stimuleren zou kunnen zijn de hemodynamiek zo aan te passen dat het mogelijk wordt
te regenereren. Hiertoe zou een steunhart geïmplanteerd kunnen worden, iets wat nu
wordt gebruikt ter overbrugging van de wachttijd op een donorhart. In dit ontlaste hart
kunnen de groeifactoren, beschreven in dit proefschrift, lokaal gestimuleerd worden
zodat er meer hartspiercellen worden gevormd. Er zijn aanwijzingen dat het ontlaste hart
inderdaad een veel hoger regeneratief vermogen heeft. Bij een elf maanden oud meisje
dat een heterotopische harttransplantatie moest ondergaan, kon na elf jaar het donorhart
verwijderd worden, omdat het oorspronkelijk hart weer functioneerde.13 Ook het volwassen
hart is, wanneer het ontlast wordt, beter in staat te herstellen.14
Op deze manier zou het in de toekomst mogelijk moeten zijn het beschadigde hart met
behulp van chirurgische interventie in combinatie met locale modulering van de relevante
signaaltransductiepaden te herstellen. Zo zouden inzicht in de regeneratie van de harten
van lagere vertebraten gecombineerd met inzicht in de ontwikkeling van het hart (evo-devo)
uiteindelijk kunnen leiden tot een rationele therapie om het geïnfarceerde hart te herstellen.
208
References
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Finch CE. Longevity, Senescence, and the Genome, in: AnonymousUniversity of Chicago Press,1990,
Fine ML, Foster K, Radtke R. Absence of age-related ploidy changes in a fish with indetermi
nate growth. J Gerontol. 1984;39:18-21
Patnaik BK, Mahapatro N, Jena BS. Ageing in fishes. Gerontology. 1994;40:113-132
Reznick D, Ghalambor C, Nunney L. The evolution of senescence in fish. Mech Ageing Dev. 2002;123:773-789
Armstrong HA, Smith CJ. Growth patterns in euconodont crown enamel: implications for life history and mode-of-life reconstruction in the earliest vertebrates. Proc Biol Sci. 2001;268:815-
820
Gosain A, DiPietro LA. Aging and wound healing. World J Surg. 2004;28:321-326
Keylock KT, Vieira VJ, Wallig MA, DiPietro LA, Schrementi M, Woods JA. Exercise accelerates cutaneous wound healing and decreases wound inflammation in aged mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2008;294:R179-R184
Guo S, Dipietro L.A. Factors affecting wound healing. J Dent Res. 2010;219-229
Ferguson MW, O’Kane S. Scar-free healing: from embryonic mechanisms to adult therapeutic intervention. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2004;359:839-850
Van de Putten J, Gryson L. Biologie en Fysiologie van de wondgenezing, in: AnonymousWolter Kluwer,2007,
Evans DH, Claiborne JB. The Physiology of fishes, in: Anonymousedthird. CRC press,2006,
Wilansky S, Moreno CA, Lester SJ. Complications of myocardial infarction. Crit Care Med. 2007;35:S348-S354
Tsang V, Yacoub M, Sridharan S, Burch M, Radley-Smith R, Khaghani A, Savoldo B, Amrolia PJ. Late donor cardiectomy after paediatric heterotopic cardiac transplantation. Lancet.
2009;374:387-392
Domingo L.A. Artificial heart left vebtricular assist device (LVAD) A bridge to recovery domingo liotta Ann of thoracic surg. Ann Thorac Surg. 2008;(14) 5, 271-273
Samenvatting
209