Progenitor Celtransfer Strategieën in de Cardiologie: innovatieve behandelingen voor herstel van een verminderde hartfunctie

Transcriptie

1 Progenitor Celtransfer Strategieën in de Cardiologie: innovatieve behandelingen voor herstel van een verminderde hartfunctie Auteur(s): Stefan Janssens, met medewerking van Jan Bogaert, Luc Mortelmans, Marc Boogaerts en Frans Van de Werf. UZ Leuven Situering Ondanks geavanceerde interventionele technieken en optimale medicamenteuze therapie, heeft een acuut myocard infarct met aanzienlijke weerslag op de linkerventrikel functie nog steeds een sombere prognose. De neerwaartse spiraal die uiteindelijk in hartfalen resulteert, wordt initieel niet enkel bepaald door de grootte van het bedreigde myocardterritorium en de vooraf bestaande collaterale circulatie, maar ook door de paradoxale schade die aangericht wordt tijdens reperfusie (hetzij mechanisch, interventioneel of chirurgisch) en ten slotte in een latere fase door maladaptieve linkerventrikel remodellering 1. Deze processen leiden tot uitzetting van de hartspier, verdunning van de wand en verder functieverlies en dragen bij tot een proportionele toename van cardiovasculaire mortaliteit 2 3. Mede door de opschuivende leeftijdspiramide van de westerse bevolking blijft cardiale mortaliteit als gevolg van vooral ischemische hartaandoeningen een van de belangrijkste doodsoorzaken. Recente data uit de omvangrijke VALIANT-studie (> patiënten) 4 bij patiënten met verminderde systolische linkerventrikel functie na infarct, illustreren bovendien dat ondanks de beste therapieën niet alleen mortaliteit maar ook het klinisch verloop infaust blijft met een risico van meer dan 20% om binnen het jaar te overlijden, een nieuw infarct door te maken of te worden gehospitaliseerd met ernstig hartfalen. Tegen deze ontnuchterende achtergrond is het duidelijk dat nieuwe therapeutische strategieën noodzakelijk zijn. Celtherapie: een nieuw therapeutisch paradigma? Tot dusver waren beschikbare therapieën na een acute hartaanval vooral gericht op het beperken van de negatieve gevolgen van druk- en volume belasting in het hart. Deze werden vooral gedreven door neurohumorale compensatiemechanismen. Regeneratie van nieuwe hartspiercellen of effectieve aanmaak van nieuwe bloedvaten leek utopisch. De recente inzichten in de rol van voorlopercellen uit beenmerg in verschillende experimentele herstelprocessen heeft echter geleid tot intens onderzoek naar nieuwe cellulaire therapieën voor ischemische hartziekten. Er is immers een duidelijke interactie aangetoond tussen diverse voorlopercelpopulaties in het beenmerg en het beschadigde myocard, dat noodsignalen uitzendt. Het ontrafelen van deze bi-directionele signaaltransductie en eerdere bemoedigende resultaten in kleine proefdieren hebben geleid tot een exponentiele toename in translationele celtransferprotocols. De belangrijkste vraag is onder welke vorm en volgens welke modaliteiten klinische toepassingen een reële meerwaarde betekenen voor patiënten met ernstige myocarddysfunctie na doorgemaakt infarct. In deze bijdrage resumeren we beknopt de actuele stand van zaken rond klinische celtransfer evenals de resterende beperkingen en open vragen. Het moge daarbij duidelijk zijn dat dergelijke vorm van nauwkeurig gecontroleerde ontwikkelingsgeneeskunde dient uitgebouwd in een universitaire ziekenhuisomgeving waarbij intense interactie tussen hoog gespecialiseerde

2 afdelingen mogelijk is, en waar top expertise aanwezig is met betrekking tot hematologie, beenmergtransplantatie en multimodale cardiale beeldvorming. Ten slotte kunnen klinische protocols maar succesvol ontwikkeld worden, mits voldoende onderbouw, en waar nodig bijsturing vanuit een parallel onderzoekstraject. Beenmergceltransfer na acuut myocardinfarct: concrete modaliteiten Gezien aan al deze voorwaarden in UZ Leuven campus Gasthuisberg voldaan is, werd in 2003 een aanzet gegeven voor de eerste translationele studies met autologe mononucleaire stamcellen. Uit het beenmerg van patiënten met myocard infarct werd een gemengde celpopulatie geïsoleerd en gezuiverd op het ogenblik dat hun toestand volledig was gestabiliseerd. Nadat eerdere pilootstudies in 3 Duitse centra de veiligheid en haalbaarheid van intracoronaire injectie van beenmergcellen hadden aangetoond, stond vooral de vraag naar efficaciteit op de voorgrond. Om die reden werd dan ook geopteerd voor een rigoureuze dubbelblinde, gecontroleerde en gerandomiseerde studie 5, hetgeen een cardiologische primeur was in Europa en de VS. Gezien het uitgesproken innovatief karakter van de studie werd de initiële inclusie ook beperkt tot 1 campus, waarbij evenwel patiënten vanuit het Vlaamse ziekenhuisnetwerk werden verwezen voor participatie in de studie. In totaal werden in een eerste fase 67 patiënten gerandomiseerd, bij wie we in de eerste plaats wilden nagaan in hoever het herstel van globale en regionale functie en de genezing van het infarct gunstig werden beïnvloed door celtransfer, toegepast bovenop standaard state-of-the-art therapie. Om een en ander zo stevig mogelijk te onderbouwen, adapteerden we bestaande expertise in multimodale cardiale beeldvorming, waarbij elke techniek afzonderlijk complementaire informatie verschaft en de multidisciplinaire aanpak een unieke en geïntegreerde beoordeling van dit nieuw behandelingsconcept toeliet. Het samenbrengen van flow cytometrische stamcel phenotypering, magnetiscche resonantietechnieken, kwantitatieve tissue Doppler analyse met strain en strain rate imaging, nucleaire beeldvorming van myocard metabolisme en perfusie door middel van positron emissie tomografie met radioactief gelabeld acetaat ( on site cyclotron) is enkel mogelijk in een universitaire ziekenhuis setting. De participerende medische, radiologische en nucleaire diensten, het Leuven Coordinating Center voor klinische studies (LCC, director Prof. F. Van de Werf) en het ziekenhuis als dusdaning leverden bovendien een belangrijke financiële bijdrage voor het realiseren van de studie. De Leuvense studie in perspectief Het toedienen van autologe progenitorcellen aan patiënten met recent doorgemaakt hartinfarct was veilig. Tijdens hospitaal verblijf, en de eerste 12 maanden na celtransfer traden geen majeure cardiale of systemische verwikkelingen op te wijten aan celtransfer (hetgeen tot heden bevestigd wordt). Het herstel van de globale hartfunctie was niet significant verschillend tov de controle groep (additionele verbetering in ejectiefractie van 1.2% - bovenop een verwachte verbetering van 2-3% na standaardtherapie), maar de regionale hartfunctie in de randzones van het infarct evenals de genezing van het infarct met verkleinen van het litteken was wel duidelijk en significant beter bij de patiënten die celtransfer hadden ondergaan 5. Hoe dienen we de resultaten van de studie dan te interpreteren? Dankzij de multimodale analyses konden we vrij snel een duidelijke trend vaststellen, waarbij het voordeel van de interventie met beenmergcellen vooral duidelijk bleek in patiënten met meer uitgebreide myocardinfarcten en hoger risico, zoals

3 benadrukt in het begeleidende Lancet editoriaal 6. Daarenboven toonde nauwkeurige magnetische resonantie analyse aan dat regeneratie van een substantiële hoeveelheid nieuw myocardweefsel zeer onwaarschijnlijk was. De meest voor de hand liggende verklaring voor de gunstige effecten van celtransfer op regionale functie en infarct remodellering is daarom een paracrien effect, met trofische stimulatie van het ischemisch myocard door progenitor celgeassocieerde factoren. Deze kunnen een protectief effect hebben in de randzone van het infarct en uitbreiding van weefselischemie tegengaan, apoptose inhiberen en vascularistie stimuleren. Vooral in de parallelle preklinische studies in relevante proefdiermodellen hebben we aangetoond welk het belang van dergelijke paracriene effecten is en welke groeifactoren in dit proces betrokken zijn 7. Ruim een half jaar na de Leuvense studie werden nog 2 gerandomiseerde Europese studies gerapporteerd die in Duitsland 8 en Noorwegen 9 respectievelijk in 18 en 4 centra bijna 200 en 100 patiënten randomiseerden. De resultaten bleken niet eenduidig (ofwel een significante 2.5% additionele globale functieverbetering, ofwel geen verbetering) en vereisten bijkomend onderzoek. Aanvullende substudies en een recent uitgevoerde meta-analyse (met alle inherente beperkingen) bevestigden een beperkt voordeel in regionale en globale functie 10. Beperkingen van celtherapie ad hoc Regeneratie in de strikte zin van het woord als gevolg van transdifferentiatie van tot dusver gebruikte beenmergcellen tot echte hartspiercellen werd nog niet aangetoond, of slechts in zeer beperkte mate (en klinisch nog onvoldoende relevant). Daarenboven zijn de meeste onderzoekers het erover eens dat beperkte homing, incorporatie en overleving van voorlopercellen in het ischemisch myocard een van de grootste hinderpalen voor verdere verbetering van efficaciteit is. De onderliggende mechanismen hiervoor worden door ons en verschillende buitenlandse universitaire centra intensief bestudeerd. Naast intrinsieke susceptibiliteit voor ischemie is de aanwezigheid van microvasculaire obstructie (ondanks patente epicardiale coronaire arteries) een belangrijke limiterende factor. Vooral de microvasculaire obstructie is een frequente complicatie (meer dan de helft van de patiënten) na reperfusietherapie voor acuut infarct en speelt een prognostisch belangrijke rol, zoals we in recente MRI studies in UZ Leuven campus Gasthuisberg hebben aangetoond 11. In het laboratorium voor experimentele cardiologie hebben we in dit verband recent een veelbelovende therapeutische interventie op punt gesteld gebaseerd op inhalatie van NO (stikstof oxide) 12. In de toekomst zullen we nagaan of hierdoor daadwerkelijk de homing van gelabelde progenitorcellen in een gereperfundeerd ischemisch hart kan verbeteren. Verdere klinische ontwikkeling? Ruim 2 jaar na de publicatie van de eerste Europese gerandomiseerde studies gecoördineerd in 2 Duitse universitaire centra, 1 Noors universitair ziekenhuis en de UZ Leuven campus Gasthuisberg in België, heeft progenitorcel transfer in cardiologie een belangrijke weg afgelegd. De hype rond stamcellen heeft terecht plaats gemaakt voor een realistische en pragmatische benadering, gebaseerd op graduele en rigoureuze kenniswerving binnen een academische omgeving. De aandacht gaat vooral uit naar methoden om progenitorcel overleving in de (post)- ischemische hartspier te verbeteren en naar technieken om effectieve cardiale differentiatie van progenitorcellen te bestuderen voor in vivo transfer. De laatste optie vereist uitgebreid fundamenteel basisonderzoek, waarbij op de campus Gasthuisberg een zeer actieve samenwerking is opgebouwd met

4 onderzoekslaboratoria binnen het SCIL en VIB. Het stimuleren van homing en overleving wordt actueel door onderzoekers in UZ Leuven campus Gasthuisberg en meerdere universitaire centra in relevante preklinische modellen en kleinschalige mechanistische patiënten studies onderzocht. Vanuit de dienst cardiologie van UZ Leuven campus Gasthuisberg werden het afgelopen jaar belangrijke inspanningen gedaan om extra externe fondsen aan te trekken voor verdere preklinische en klinische ontwikkeling. Een belangrijk nadeel van autologe celtherapie is immers het ontbreken van evidente patenteerbare intellectuele eigendom. Binnen de Europese vereniging van Cardiologie is sinds meerdere jaren een Task Force actief waar deze initiatieven worden gestroomlijnd en waar regelmatig overleg wordt gepleegd om succesvolle ontwikkeling van celtransfer in cardiologie te monitoren en te stimuleren 13. Daarnaast heeft UZ Leuven campus Gasthuisberg verschillende initiatieven genomen om de vereiste interdisciplinariteit logistiek, organisatorisch en financieel te ondersteunen (Louvre cardiac imaging center, uitbouw van nieuw hartcatheterisatie laboratorium met geïntegreerde X-MR-faciliteiten, overkoepelend Leuvens Stamcel Instituut, samenwerking met Vlaams Instituut voor Biotechnologie, ). Voor verdere en meer gedetailleerde informatie kan u hieromtrent terecht op volgende websites: website ESC task force on stem cells: Stem Cell Institute Leuven: KUL-cardiologie roep/ htm Website medical imaging centre:

5 Referenties 1. Sutton MG, Sharpe N. Left ventricular remodeling after myocardial infarction:pathophysiology and therapy. Circulation. 2000;101: Stone GW, Grines CL, Cox DA, Garcia E, Tcheng JE, Griffin JJ, Guagliumi G, Stuckey T, Turco M, Carroll JD, Rutherford BD, Lansky AJ. Comparison of angioplasty with stenting, with or without abciximab, in acute myocardial infarction. N Engl J Med. 2002;346(13): Pitt B, Remme W, Zannad F, Neaton J, Martinez F, Roniker B, Bittman R, Hurley S, Kleiman J, Gatlin M. Eplerenone, a selective aldosterone blocker, in patients with left ventricular dysfunction after myocardial infarction. N Engl J Med. 2003;348(14): Pfeffer MA, McMurray JJ, Velazquez EJ, Rouleau JL, Kober L, Maggioni AP, Solomon SD, Swedberg K, Van de Werf F, White H, Leimberger JD, Henis M, Edwards S, Zelenkofske S, Sellers MA, Califf RM. Valsartan, captopril, or both in myocardial infarction complicated by heart failure, left ventricular dysfunction, or both. N Engl J Med. 2003;349(20): Janssens S, Dubois C, Bogaert J, Theunissen K, Deroose C, Desmet W, Kalantzi M, Herbots L, Sinnaeve P, Dens J, Maertens J, Rademakers F, Dymarkowski S, Gheysens O, Van Cleemput J, Bormans G, Nuyts J, Belmans A, Mortelmans L, Boogaerts M, Van de Werf F. Autologous bone marrow-derived stem-cell transfer in patients with STsegment elevation myocardial infarction: double-blind, randomised controlled trial. Lancet. 2006;367(9505): Penn MS. Stem-cell therapy after acute myocardial infarction: the focus should be on those at risk. Lancet. 2006;367(9505): Dubois C, Thijs D, Marsboom G, Depelteau H, Liu P, Streb W, Chaothawee L, Maes F, Swinnen M, Gillijns H, Pellens M, Collen D, Van de Werf F, Janssens S. Intracoronary mesenchymal stem cell or endothelial progenitor cell transfer post myocardial infarction prevents negative remodeling but fails to enhance global functional recovery. J Am Coll Cardiol. 2006;47(4): Schachinger V, Erbs S, Elsasser A, Haberbosch W, Hambrecht R, Holschermann H, Yu J, Corti R, Mathey DG, Hamm CW, Suselbeck T, Assmus B, Tonn T, Dimmeler S, Zeiher AM. Intracoronary bone marrow-derived progenitor cells in acute myocardial infarction. N Engl J Med. 2006;355(12): Lunde K, Solheim S, Aakhus S, Arnesen H, Abdelnoor M, Egeland T, Endresen K, Ilebekk A, Mangschau A, Fjeld JG, Smith HJ, Taraldsrud E, Grogaard HK, Bjornerheim R, Brekke M, Muller C, Hopp E, Ragnarsson A, Brinchmann JE, Forfang K. Intracoronary injection of mononuclear bone marrow cells in acute myocardial infarction. N Engl J Med. 2006;355(12): Abdel-Latif A, Bolli R, Tleyjeh IM, Montori VM, Perin EC, Hornung CA, Zuba-Surma EK, Al-Mallah M, Dawn B. Adult bone marrow-derived cells for cardiac repair: a systematic review and meta-analysis. Arch Intern Med. 2007;167: Bogaert J, Kalantzi M, Rademakers FE, Dymarkowski S, Janssens S. Determinants and impact of microvascular obstruction in successfully reperfused ST-segment elevation myocardial infarction. Assessment by magnetic resonance imaging. European radiology. 2007;17(10): Liu X, Huang Y, Pokreisz P, Vermeersch P, Marsboom G, Swinnen M, Verbeken E, Santos J, Pellens M, Gillijns H, Van de Werf F, Bloch KD, Janssens S. Nitric oxide inhalation improves microvascular flow and decreases infarction size after myocardial ischemia and reperfusion. J Am Coll Cardiol. 2007;50(8): The consensus of the task force of the European Society of Cardiology concerning the clinical investigation of the use of autologous adult stem cells for repair of the heart. Eur Heart J. 2006;27(11):

6 Figuur Legendes Figuur 1. Verschillende voorlopercellen in cardiale toepassingen: circulerende endotheel progenitorcellen zijn gebruikt voor stabiele myocardischemie en bij akuut infarct. De meeste ervaring bij acuut myocardinfarct is met een mengpopulatie van gezuiverde mononucleaire cellen uit het beenmerg gepreleveerd (cf. inset rechts boven). Voorlopercellen uit skeletspier werden rechtstreeks ingespoten in het litteken bij chronische ischemie patiënten met slechte ventrikel functie, terwijl voorlopercellen uit vetweefsel later dit jaar in pilootstudies zullen getest worden bij acute ischemie. Tot heden is de beste therapeutische optie nog onbekend.

7 Figuur 2 Werkhypothese betreffende therapeutische stam- progenitorceltransfer voor myocardiale regeneratie. Progenitorceltransfer kan weefselperfusie en contractiliteit gunstig beïnvloeden door toegenomen vascularisatie en cardiomyocyt vorming. De relatieve bijdrage van cellulaire incorporatie (transdifferentiatie en/of fusie) versus paracriene effecten is onvoldoende gekend en vermoedelijk predomineren paracriene factoren in de actuele fase van celtransfer. CM: cardiomyocyt, EC: endotheelcel, GLS: gladde spiercel, PC: progenitorcel, SC: stamcel.

8 Figuur 3. Multimodale cardiale beeldvorming bij acuut infarct. Het linker paneel toont een acute occlusie van de circumflex arterie die gerekanaliseerd wordt en waarbij onderaan het MRI equivalent getoond wordt. De witte aankleuring toont infarct gebied (witte pijlen) waarbinnen een zwarte opklaringszone (zwarte pijlhoofden) indicatief is voor microvasculaire obstructie. Het rechter paneel toont een groot voorwandinfarct, dat over verloop van 4 maanden sterk in volume toeneemt en waarbij de witte infarctzone een dunnere wand aanneemt. Dergelijke patiënten lopen hoog risico op ontwikkelen van hartfalen en hebben een ongunstige prognose waarbij stamcel transfer in het acute moment mogelijk een gunstig effect op termijn kan realiseren. Multi-modale Beeldvorming Akuut Myocard Infarct Cx occlusie LAD occlusie 1 week 4 months