Aptamer-Based Isolation and Subsequent Imaging of Mesenchymal Stem Cells in Ischemic Myocard by Magnetic Resonance Imaging

Zusammenfassung

Ziel: Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind eine viel versprechende Zellquelle für die zelluläre Kardiomyoplastie. Wir haben kürzlich eine neue spezifische Methode, basierend auf der Aptamer-Technik, zur Isolation von MSC beschrieben. Die so isolierten Zellen stehen unmittelbar nach der Isolation „frisch” zur Transplantation zur Verfügung. In der vorliegenden Arbeit wird die Detektion mittels MRT von frisch isolierten und hiernach intrakoronar und intramyokardial transplantierten MSC evaluiert. Hierbei wird erstmals der Einsatz einer kombinierten Aptamer-basierten Isolations- und Markierungstechnik für Zellen beschrieben. Material und Methoden: Knochenmark (KM) wurde von gesunden Schweinen entnommen, die Tiere wurden getötet und das Herz in ein Ex-vivo-Perfusionsmodell überführt. Während der kalten Ischämiezeit wurden die MSC aus dem KM mittels MSC-spezifischen Aptameren, an die Dynabeads® gekoppelt waren, innerhalb von 2 h immunomagnetisch isoliert. Zur histologischen Identifikation wurden die Zellen zusätzlich mit PKH26 angefärbt. Ca. 3 × 10⁶ frisch Aptamer-isolierte Zellen wurden in den Ramus interventricularis anterior (RIVA), 5 × 10⁵ Zellen wurden direkt intramyokardial, nachdem ein Defekt im bewussten Areal gesetzt wurde (Kryo-Narbe), appliziert. 3 × 10⁶ der Aptamer-isolierten Zellen wurden einer weiteren Charakterisierung (FACS sowie Differenzierungsprozeduren) zugeführt. 20 h nach stattgehabter Zell-Transplantation erfolgten MRT-Untersuchungen des Herzens mittels eines klinisch eingesetzten 3,0-T-Ganzkörper-Scanners (Magnetom Trio, Siemens, Deutschland). Im Anschluss wurden histologische Untersuchungen durchgeführt. Ergebnisse: Durchschnittlich wurden 7 × 10⁶ Zellen aus 120 ml KM isoliert. Die Zellen wurden in Kultur genommen und zeigten MSC-typische Eigenschaften. In der MRT konnten reproduzierbare Suszeptibilitätsartefakte von überraschend exzellenter Qualität im RIVA-Perfusionsareal sowie in der Kryo-Narbe generiert werden. Die histologischen Untersuchungen der Biopsien zeigten PKH26-positive Zellen in den Bereichen, die in der MRT positiv waren, wohingegen in den Kontrollbiopsien (negativ in der MRT) keine Zellen nachweisbar waren. Schlussfolgerung: Die immunomagnetische Isolation von MSC mittels an spezifische Aptamere gekoppelte Magnetpartikel ist einfach durchführbar, effektiv und kombiniert spezifische Zellseperations- und Markierungstechniken im Sinne einer „One stop shop”-Strategie.

Abstract

Purpose: Mesenchymal stem cells (MSC) seem to be a promising cell source for cellular cardiomyoplasty. We recently developed a new aptamer-based specific selection of MSC to provide “ready to transplant” cells directly after isolation. We evaluated MRI tracking of newly isolated and freshly transplanted MSC in the heart using one short ex vivo selection step combining specific aptamer-based isolation and labeling of the cells. Materials and Methods: Bone marrow (BM) was collected from healthy pigs. The animals were euthanized and the heart was placed in a perfusion model. During cold ischemia, immunomagnetic isolation of MSC from the BM by MSC-specific aptamers labeled with Dynabeads® was performed within 2 h. For histological identification the cells were additionally stained with PKH26. Approx. 3 × 10⁶ of the freshly aptamer-isolated cells were injected into the ramus interventricularis anterior (RIVA) and 5 × 10⁵ cells were injected directly into myocardial tissue after damaging the respective area by freezing (cryo-scar). 3 × 10⁶ of the aptamer-isolated cells were kept for further characterization (FACS and differentiation assays). 20 h after cell transplantation, MRI of the heart using a clinical 3.0 Tesla whole body scanner (Magnetom Trio, Siemens, Germany) was performed followed by histological examinations. Results: The average yield of sorted cells from 120 ml BM was 7 × 10⁶ cells. The cells were cultured and showed MSC-like properties. MRI showed reproducible artifacts within the RIVA-perfusion area and the cryo-scar with surprisingly excellent quality. The histological examination of the biopsies showed PKH26-positive cells within the areas which were positive in the MRI in contrast to the control biopsies. Conclusion: Immunomagnetic separation of MSC by specific aptamers linked to magnetic particles is feasible, effective and combines a specific separation and labeling technique to a “one stop shop” strategy.

cardiomyoplasty - aptamer - mesenchymal Stem Cells - MRI - tracking

References

• 1 Schachinger V, Erbs S, Elsasser A. et al . Intracoronary bone marrow-derived progenitor cells in acute myocardial infarction.  N Engl J Med. 2006;  355 1210-1221
• 2 Seeger F H, Tonn T, Krzossok N. et al . Cell isolation procedures matter: a comparison of different isolation protocols of bone marrow mononuclear cells used for cell therapy in patients with acute myocardial infarction.  Eur Heart J. 2007;  28 766-772
• 3 Pittenger M F, Martin B J. Mesenchymal stem cells and their potential as cardiac therapeutics.  Circ Res. 2004;  95 9-20
• 4 Fukuda K, Yuasa S. Stem cells as a source of regenerative cardiomyocytes.  Circ Res. 2006;  98 1002-1013
• 5 Nagaya N, Kangawa K, Itoh T. et al . Transplantation of mesenchymal stem cells improves cardiac function in a rat model of dilated cardiomyopathy.  Circulation. 2005;  112 1128-1135
• 6 Miyahara Y, Nagaya N, Kataoka M. et al . Monolayered mesenchymal stem cells repair scarred myocardium after myocardial infarction.  Nat Med. 2006;  12 459-465
• 7 Hill J M, Dick A J, Raman V K. et al . Serial cardiac magnetic resonance imaging of injected mesenchymal stem cells.  Circulation. 2003;  108 1009-1014
• 8 Bulte J W, Douglas T, Witwer B. et al . Magnetodendrimers allow endosomal magnetic labeling and in vivo tracking of stem cells.  Nat Biotechnol. 2001;  19 1141-1147
• 9 Daldrup-Link H E, Rudelius M, Piontek G. et al . Migration of iron oxide-labeled human hematopoietic progenitor cells in a mouse model: in vivo monitoring with 1.5-T MR imaging equipment.  Radiology. 2005;  234 197-205
• 10 Ittrich H, Lange C, Dahnke H. et al . Labeling of mesenchymal stem cells with different superparamagnetic particles of iron oxide and detectability with MRI at 3T.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1151-1163
• 11 Jendelova P, Herynek V, Urdzikova L. et al . Magnetic resonance tracking of human CD 34 + progenitor cells separated by means of immunomagnetic selection and transplanted into injured rat brain.  Cell Transplant. 2005;  14 173-182
• 12 Schäfer R, Dominici M, Müller I. et al . Progress in characterization, preparation and clinical applications of non-hematopoietic stem cells, 29 - 30 September 2006, Tübingen, Germany.  Cytotherapy. 2007 (epub 7 May 2007); 
• 13 Guo K T, Schäfer R, Paul A. et al . A new technique for the isolation and surface immobilization of mesenchymal stem cells from whole bone marrow using high- specific DNA-aptamers.  Stem Cells. 2006;  24 2220-2231
• 14 Tuerk C, Gold L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T 4 DNA polymerase.  Science. 1990;  249 505-510
• 15 Ji J F, He B P, Dheen S T. et al . Interactions of chemokines and chemokine receptors mediate the migration of mesenchymal stem cells to the impaired site in the brain after hypoglossal nerve injury.  Stem Cells. 2004;  22 415-427
• 16 Grimm J, Wunder A. Current state of molecular imaging research.  Fortschr Röntgenstr. 2005; 
• 17 Kettering M, Winter J, Zeisberger M. et al . Magnetically based enhancement of nanoparticle uptake in tumor cells: combination of magnetically induced cell labeling and magnetic heating.  Fortschr Röntgenstr. 2006;  178 1255-1260
• 18 Böhm I, Traber F, Block W. et al . Molecular imaging of apoptosis and necrosis - basic principles of cell biology and use in oncology.  Fortschr Röntgenstr. 2006;  178 263-271
• 19 Dick A J, Guttman M A, Raman V K. et al . Magnetic resonance fluoroscopy allows targeted delivery of mesenchymal stem cells to infarct borders in Swine.  Circulation. 2003;  108 2899-2904
• 20 Kraitchman D L, Heldman A W, Atalar E. et al . In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction.  Circulation. 2003;  107 2290-2293
• 21 Jiang W, Ma A, Wang T. et al . Intravenous transplantation of mesenchymal stem cells improves cardiac performance after acute myocardial ischemia in female rats.  Transpl Int. 2006;  19 570-580
• 22 Hattan N, Kawaguchi H, Ando K. et al . Purified cardiomyocytes from bone marrow mesenchymal stem cells produce stable intracardiac grafts in mice.  Cardiovasc Res. 2005;  65 334-344
• 23 Dai W, Hale S L, Martin B J. et al . Allogeneic mesenchymal stem cell transplantation in postinfarcted rat myocardium: short- and long-term effects.  Circulation. 2005;  112 214-223
• 24 Gnecchi M, He H, Noiseux N. et al . Evidence supporting paracrine hypothesis for Akt-modified mesenchymal stem cell-mediated cardiac protection and functional improvement.  FASEB J. 2006;  20 661-669
• 25 Rüster B, Gottig S, Ludwig R J. et al . Mesenchymal stem cells display coordinated rolling and adhesion behavior on endothelial cells.  Blood. 2006;  108 3938-3944
• 26 Colter D C, Sekiya I, Prockop D J. Identification of a subpopulation of rapidly self-renewing and multipotential adult stem cells in colonies of human marrow stromal cells.  Proc Natl Acad Sci U S A. 2001;  98 7841-7845