Heart stem cells: hope or myth?

The search and study of endogenous heart repair remains an urgent issue in modern regenerative medicine. It is generally accepted that the human heart has a limited regenerative potential, but recent studies show that functionally significant regeneration is possible. However, the mechanisms underlying these processes remain poorly understood. In the heart, there are populations of resident mesenchymal cells that have some properties of stem cells that carry certain markers, such as c-kit+, Sca-1, etc. The ability of these cells to differentiate directly into cardiomyocytes remains controversial, but their use in clinical trials has shown improved cardiac function in patients with myocardial infarction. Currently, approaches are being developed to use, mainly, induced pluripotent stem cells as a promising regenerative therapy, but the cardioprotective role of cardiac mesenchymal cells remains the subject of active study due to their paracrine signaling

Участие транскрипционного фактора ZBTB16 в процессах физиологического образования костной ткани и при патологической кальцификации аортального клапана

Degenerative calcific aortic valve stenosis is the most common type of heart valve disease in the Western world. Patients with severe stenosis are associated with 50 percent chance of mortality within two years in the absence of intervention. Surgical interventions are the only treatment method for severe calcific aortic valve stenosis to date. Pharmacological approaches have so far failed to affect the course of the disease. Thus, there is an urgent need to develop novel treatment strategies that could slow down the progression of the stenosis. ZBTB16 is a zinc finger protein with N-term BTB/POZ domain (protein-protein interaction motif) and 9 zinc finger domains (DNA binding motif) in C-term. There is growing evidence proving the participation of ZBTB16 in skeletal development. ZBTB16 has been shown to play a role in the specification of limb and axial skeleton patterning. Moreover, the expression of ZBTB16 is increased in patients with ectopic bone formation. Nowadays, the evidence supports that the mechanisms that play key roles in the formation of bone tissue are similar to the processes occurring during the development of ectopic ossification of the aortic valve. Thus, it can be assumed that ZBTB16 is heavily involved in osteogenic transformation in the aortic valve. Understanding similarities and differences in the mechanisms that mediate osteogenic differentiation of stem cells during bone formation and pathological ossification of tissues can help to find the ways to control the osteogenic differentiation in the human body. The aim of this review is to summarize data on the role of ZBTB16 and its products in the regulation of differentiation and proliferation of cells involved in osteogenesis and in the development of ectopic calcification of the aortic valve. The study of the dynamic changes of ZBTB16 expression in aortic valve calcification is a new and relevant study field.Дегенеративный кальцинированный стеноз аортального клапана – наиболее распространенная в мире патология клапанов сердца. При развитии кальцинированного стеноза аортального клапана прогноз двухлетней выживаемости без хирургического вмешательства составляет 50%. Единственным на сегодняшний день методом лечения тяжелой кальцификации клапана выступает хирургическое вмешательство. Фармакологические подходы до сих пор не смогли изменить течение заболевания, поэтому разработка новых стратегий лечения, замедляющих развитие стеноза аортального клапана, представляет актуальную клиническую потребность. Белок ZBTB16 является транскрипционным фактором с N-концевым BTB/POZ-доменом для белок-белкового взаимодействия и девятью C-концевыми доменами типа цинковый палец для связывания ДНК. В литературе представлены данные об участии ZBTB16 в развитии скелета. Показано, что ZBTB16 играет роль в спецификации паттернов аксиального скелета и конечностей. Кроме того, экспрессия ZBTB16 повышена в клетках пациентов, страдающих эктопическим формированием костной ткани. На сегодняшний день мы имеем множество подтверждений тому, что ключевые механизмы формирования костной ткани в норме, сходны с процессами при эктопической оссификации тканей аортального клапана. Таким образом, можно сделать предположение о значительном участии ZBTB16 и в остеогенной трансформации клеток клапана аорты. Понимание сходств и различий механизмов, опосредующих остеогенную дифференцировку клеток во время физиологического формирования кости и патологической оссификации тканей, может дать предпосылки для возможности управления процессами остеогенной дифференцировки в организме человека. Целью данного обзора стало обобщение сведений о роли ZBTB16 и его продуктов в регулировании дифференцировки и пролиферации клеток, участвующих в процессах физиологического остеогенеза и при эктопической кальцификации тканей, в том числе аортального клапана. Изучение динамической вариабельности экспрессии ZBTB16 в клетках аортального клапана при кальцификации ткани является новым и актуальным направлением

Современные проблемы и перспективы развития клеточной терапии на основе мезенхимных клеток сердца в восстановлении сократительной функции миокарда

Modern methods of treating heart failure are similar to the palliative care, since they mostly relieve the symptoms of the disease. The discovery of resident cardiac stem cells gave impetus to the development of “second generation” cell therapy, which quickly moved from animal research to clinical trials with critically ill patients. Many cardiac side population cells have been identified to have stem cells characteristics and some additional individual characteristics, both in vitro and in vivo. The results of clinical studies demonstrated that the stem cell treatment is safe, however, this type of cell-based therapy did not restore cardiac function. Its effects were limited to mildly improving left ventricular systolic pressure and reducing the scar area. Despite that, the promising nature of these therapeutic approaches for heart diseases have contributed to the development of next-generation cell therapy.Цель. Современные методы лечения сердечной недостаточности лишь купируют симптомы заболевания, но не способствуют полноценному функциональному излечению сердца. Открытие резидентных стволовых клеток сердца дало толчок к развитию клеточной терапии второго поколения, которая быстро перешла от исследований на животных к клиническим испытаниям с тяжелобольными пациентами. Идентифицировано множество популяций клеток в сердце, имеющих свойства стволовых, но обладающих индивидуальными характеристиками, как in vitro, так и in vivo. Результаты клинических исследований продемонстрировали безопасность введения данных клеток, но не доказали значимую эффективность в улучшении сердечной функции, ограничившись незначительными улучшениями систолического давления левого желудочка сердца и уменьшением площади рубца. Тем не менее это показало перспективность данных подходов в лечении сердца и способствовало развитию клеточной терапии уже нового поколения

Активация экспрессии транскрипционного фактора ZBTB16 при остеогенной дифференцировке стволовых клеток мезенхимного ряда

Aim. Calcified aortic valve stenosis is the third leading cause of cardiovascular disease. The mechanisms underlying this process remain unclear, however, it is known that they are largely similar to the formation of bone tissue during embryonic development, as well as in the postnatal period during regeneration. There is evidence for the             involvement of Zinc Finger and BTB Domain Containing 16 (ZBTB16) in skeletal development. At the same time, a number of studies carried out on different types of cell cultures indicate a contradictory and ambiguous effect of ZBTB16 on RUNX2 expression. Thus, the aim of this study was to investigate the dynamic variability of ZBTB16 expression, as well as its role in aortic valve calcification.Methods. The study used different types of mesenchymal cells cultures - aortic valve interstitial cells, umbilical cord mesenchymal stem cells, ligament stem cells and dental pulp stem cells. Changes in ZBTB16 and RUNX2 expression levels                under the influence of osteogenic stimuli, as well as during exogenous activation of ZBTB16, were analyzed using real-time PCR. Expression levels of some osteogenic markers - BMP2,4, COL1A1, IBSP, DLX2, PDK4 - were analyzed in the interstitial cells of the aortic valve.Results. The results of the study indicate that a significant increase in the expression of ZBTB16 is observed during the induction of osteogenic differentiation of various cell cultures - interstitial cells of the aortic valve, mesenchymal stem cells of           the umbilical cord, stem cells of the ligaments and dental pulp. Apparently, the processes of osteogenic differentiation of aortic valve interstitial cells, in the presence of dexamethasone in cultivation medium, are provided through RUNX2-dependent signaling for the further activation of osteogenic markers.Conclusion. The study of modulation of cellular signals by ZBTB16, when activating or suppressing the work of a transcriptional factor, in the future may bring us closer to the ability to enhance the regenerative abilities of bone tissue cells or, conversely, prevent calcification of the aortic valve tissues.Цель. Кальцинированный стеноз аортального клапана является третьей ведущей причиной сердечно-сосудистых заболеваний. Механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными, однако известно, что они во многом схожи с формированием костной ткани во время эмбрионального развития, а также в постнатальном периоде при регенерации. Существует множество подтверждений участия ZBTB16 в развитии скелета. При этом данные ряда исследований, проведенных на разных типах клеточных культур, свидетельствуют о противоречивом и неоднозначном влиянии ZBTB16 на экспрессию RUNX2. Понимание сходства и различий в механизмах, опосредующих остеогенную дифференци-ровку клеток во время физиологического формирования кости и патологической оссификации тканей может дать предпосылки для возможности управления процессами остеогенной дифференцировки в организме человека. Таким образом, цель данного исследования состояла в изучении динамической вариабельности экспрессии ZBTB16, а также его роли в кальцификации клапана аорты.Материалы и методы. В исследовании использованы разные типы клеточных культур мезенхимального происхождения - интерстициальные клетки аортального клапана, мезенхимальные стволовые клетки пупочного канатика, стволовые клетки связок и пульпы зуба. С помощью метода ПЦР в реальном времени анализировали изменения уровней экспрессии ZBTB16 и RUNX2 под влиянием остеогенных стимулов, а также при экзогенной активации ZBTB16. В интерстициальных клетках аортального клапана проанализированы уровни экспрессии некоторых остеогенных маркеров - BMP2,4, COL1A1, IBSP, DLX2, PDK4.Результаты. Значительное повышение экспрессии ZBTB16 наблюдается при индукции остеогенной дифференцировки различных клеточных культур - интерстициальных клеток аортального клапана, мезенхимальных стволовых клеток пупочного канатика, стволовых клеток связок и пульпы зуба. Получены данные о том, что процессы остеогенной дифференцировки интерстициальных клеток аортального клапана при использовании в среде для культивирования дек-саметазона осуществляются посредством RUNX2-зависимого сигналинга, что необходимо для последующей активации остеогенных маркеров.Заключение. Изучение модуляции клеточных сигналов посредством ZBTB16 при активации либо подавлении работы транскрипционного фактора в будущем может приблизить нас к умению усиливать регенеративные способности клеток костной ткани или, напротив, предотвращать кальцификацию тканей аортального клапана

Noninvasive Monitoring of Placenta-Specific Transgene Expression by Bioluminescence Imaging

BACKGROUND: Placental dysfunction underlies numerous complications of pregnancy. A major obstacle to understanding the roles of potential mediators of placental pathology has been the absence of suitable methods for tissue-specific gene manipulation and sensitive assays for studying gene functions in the placentas of intact animals. We describe a sensitive and noninvasive method of repetitively tracking placenta-specific gene expression throughout pregnancy using lentivirus-mediated transduction of optical reporter genes in mouse blastocysts. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Zona-free blastocysts were incubated with lentivirus expressing firefly luciferase (Fluc) and Tomato fluorescent fusion protein for trophectoderm-specific infection and transplanted into day 3 pseudopregnant recipients (GD3). Animals were examined for Fluc expression by live bioluminescence imaging (BLI) at different points during pregnancy, and the placentas were examined for tomato expression in different cell types on GD18. In another set of experiments, blastocysts with maximum photon fluxes in the range of 2.0E+4 to 6.0E+4 p/s/cm(2)/sr were transferred. Fluc expression was detectable in all surrogate dams by day 5 of pregnancy by live imaging, and the signal increased dramatically thereafter each day until GD12, reaching a peak at GD16 and maintaining that level through GD18. All of the placentas, but none of the fetuses, analyzed on GD18 by BLI showed different degrees of Fluc expression. However, only placentas of dams transferred with selected blastocysts showed uniform photon distribution with no significant variability of photon intensity among placentas of the same litter. Tomato expression in the placentas was limited to only trophoblast cell lineages. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: These results, for the first time, demonstrate the feasibility of selecting lentivirally-transduced blastocysts for uniform gene expression in all placentas of the same litter and early detection and quantitative analysis of gene expression throughout pregnancy by live BLI. This method may be useful for a wide range of applications involving trophoblast-specific gene manipulations in utero

A new class of glycomimetic drugs to prevent free fatty acid-induced endothelial dysfunction

Background: Carbohydrates play a major role in cell signaling in many biological processes. We have developed a set of glycomimetic drugs that mimic the structure of carbohydrates and represent a novel source of therapeutics for endothelial dysfunction, a key initiating factor in cardiovascular complications. Purpose: Our objective was to determine the protective effects of small molecule glycomimetics against free fatty acid­induced endothelial dysfunction, focusing on nitric oxide (NO) and oxidative stress pathways. Methods: Four glycomimetics were synthesized by the stepwise transformation of 2,5­dihydroxybenzoic acid to a range of 2,5­substituted benzoic acid derivatives, incorporating the key sulfate groups to mimic the interactions of heparan sulfate. Endothelial function was assessed using acetylcholine­induced, endotheliumdependent relaxation in mouse thoracic aortic rings using wire myography. Human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) behavior was evaluated in the presence or absence of the free fatty acid, palmitate, with or without glycomimetics (1µM). DAF­2 and H2DCF­DA assays were used to determine nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS) production, respectively. Lipid peroxidation colorimetric and antioxidant enzyme activity assays were also carried out. RT­PCR and western blotting were utilized to measure Akt, eNOS, Nrf­2, NQO­1 and HO­1 expression. Results: Ex vivo endothelium­dependent relaxation was significantly improved by the glycomimetics under palmitate­induced oxidative stress. In vitro studies showed that the glycomimetics protected HUVECs against the palmitate­induced oxidative stress and enhanced NO production. We demonstrate that the protective effects of pre­incubation with glycomimetics occurred via upregulation of Akt/eNOS signaling, activation of the Nrf2/ARE pathway, and suppression of ROS­induced lipid peroxidation. Conclusion: We have developed a novel set of small molecule glycomimetics that protect against free fatty acidinduced endothelial dysfunction and thus, represent a new category of therapeutic drugs to target endothelial damage, the first line of defense against cardiovascular disease