Verstärkung der Kardiovaskulogenese in murinen Embryonalen Stammzellen durch Überexpression des Transkriptionsfaktors Mesoderm Posterior 1 (MesP1)

Herz-Kreislauf-Erkrankungen stellen heute in der westlichen Welt
die häufigste Todesursache überhaupt dar. In der Vergangenheit
wurde deshalb zu deren Therapie bereits eine Vielzahl an
medikamentösen und chirurgischen Behandlungsmöglichkeiten
entwickelt, die jedoch insbesondere in schweren Erkrankungsfällen
keine langfristig zufrieden stellenden Optionen bieten konnten. Von
Embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) erhofft man sich deshalb ganz
neue, zelltherapeutische Möglichkeiten. Durch das Potential,
vitales Herzmuskelgewebe aus diesen pluripotenten Zellen in vitro
generieren zu können, eröffnen sich dabei für die kausale
Behandlung der Herzinsuffizienz bisher ungeahnte Perspektiven. Zwei
der Hauptprobleme bei der Gewinnung von Kardiomyozyten aus der
differenzierten ES-Zell-Kultur stellen jedoch zum einen der geringe
Anteil von Herzmuskelzellen an der Mischkultur und zum anderen
deren schwierige hochselektive Aufreinigung dar. Durch
Entschlüsselung der Stammzellentwicklung und der daran beteiligten
Faktoren und Signalkaskaden könnte es jedoch in Zukunft möglich
werden, die Steuerung für diese Differenzierung zu übernehmen, um
so aus den hoch proliferativen, pluripotenten Vorläuferzellen
Kardiomyozytenreinkulturen gewinnen zu können. In der vorliegenden
Arbeit wurde der früh während der Embryonalentwicklung exprimierte
Transkriptionsfaktor mesoderm posterior 1 (MesP1) als mögliche
Schlüsselkomponente der kardiovaskulären Entwicklung detailliert
untersucht. Mithilfe eines dafür konstruierten Vektors konnte der
Faktor MesP1 in stabil-transfizierten, murinen embryonalen
Stammzellen überexprimiert – und so dessen induktive Wirkung auf
die Entwicklung von Herz- und Endothelzellen während der ES
Zell-Differenzierung auf molekularer wie auch zellulärer Ebene
nachgewiesen werden. So zeigte sich in den transgenen Zellen
bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung eine verstärkte
Expression u. a. der frühen kardialen Transkriptionsfaktoren Nkx2.5
und GATA-4, die sich später während der Differenzierung in einer
mehrfach erhöhten Ausbeute an Kardiomyozyten und Endothelzellen in
der Zellkultur widerspiegelte. Die Funktionalität der
amplifizierten Kardiomyozyten bezüglich Kontraktionsfrequenz und
Reagibiliät auf vegetative Reize blieb dabei unverändert erhalten.
Bei der Analyse der Keimblattentwicklung fiel auf, dass durch
Überexpression des mesoderm posterior 1 in den transgenen Zellen
die Menge an Gesamtmesoderm unverändert blieb, jedoch innerhalb
dieses Keimblattes die Differenzierung deutlich in Richtung
kardiovaskulär und zu Lasten der Skelettmuskelentwicklung
verschoben war. Im Ektoderm zeigte sich eine verstärkte neurale
Entwicklung, induziert durch die vermehrt vorhandenen kardiogenen
Zellen. Die Bildung des Endoderms war unbeeinträchtigt. Im
Folgenden konnte schließlich in Untersuchungen zur
Signaltransduktion der Mechanismus der MesP1-vermittelten
kardiovaskulären Induktion aufgeklärt werden, indem der Faktor
Dickkopf-1, ein Inhibitor des Wnt-Signalweges, als Zielgen des
Transkriptionsfaktors MesP1 identifiziert und in Folgeversuchen
mittels Bandshift auch bestätigt werden konnte. Die Blockade des
Wnt-Signalweges ist verantwortlich für die Initiierung der
kardiovaskulären Differenzierung während der Embryonalentwicklung.
MesP1 stellt damit einen besonderen Faktor während der Embryogenese
dar und einen wichtigen Startpunkt für die weitere Entzifferung der
komplexen Signaltransduktionskaskaden der Herz- und
Gefäßentwicklung. Das vollständige Verständnis dieses komplexen
Netzwerkes sowie die Übertragung auf das humane ES-Zell-System
könnte es einmal ermöglichen, Herzmuskelerkrankungen des Menschen
mit embryonalen Stammzellen therapieren zu können.