Qualitative und quantitative Analyse von lokalen Progenitorzellen in humanen Myokardbiopsien von Patienten mit Myokarditis und Kardiomyopathie

In der hier vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass im menschlichen Herzen sowohl bei Gesunden als auch bei kardial Erkrankten lokale Progenitorzellen zu finden sind. Der Nachweis der lokalen Progenitorzellen gelang hier mithilfe der Ko-Expression von den Progenitorzellmarkern CD90 und CD117. Da die Identifizierung der Marker durch immunhistochemische Analyse direkt in den Myokardbiopsien stattfand, spiegeln die Ergebnisse den Nativzustand des Gewebes wider und enthalten Informationen über die unverfälschte Anzahl und Verteilung der Progenitorzellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die These, dass die Aktivierung lokaler Progenitorzellen Teil eines Reparaturmechanismus ist, welcher nach einem akuten, entzündlichen Myokardschaden in Gang gesetzt wird. Man kann nun davon auszugehen, dass in jedem Herzen lokale Progenitorzellen ruhen, welche bei Aktivierung zu einer narbenfreien Regeneration des Myokards führen könnten. Hinweisend dafür ist der Anstieg lokaler CD90+/CD117+ Progenitorzellen vor allen Dingen bei Patienten mit Myokarditis. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt, welches traditionelle histologische Methoden mit einer neuartigen Technologie der digitalen Bildanalyse verbindet. Mittels eines virtuellen Mikroskops konnten aus den histologischen Präparaten so genannte „Whole Slide Images“ erzeugt werden. Unter Verwendung der digitalisierten histologischen Bilder konnten nicht nur qualitative Analysen an einzelnen Bildausschnitten vorgenommen werden, sondern auch quantitative Analysen des gesamten Schnittes in einem effizienten, automatisierten Prozess durchgeführt werden. Somit wurde mit dieser Arbeit eine neuartige Methode entwickelt, in Paraffin eingebettete humane Myokardbiopsien hinsichtlich des Vorkommens lokaler Progenitorzellen qualitativ und quantitativ auszuwerten und miteinander vergleichen zu können.:I Abkürzungsverzeichnis………………………………………………………………...3 II Vorbemerkungen……………………………………………………………………….4 1. Einführung in die Thematik……………………………………………………………5 1.1 Hintergrund………………………………………………………………………...5 1.2 Pluripotente Stammzellen………………………………………………………….6 1.3 Multipotente Stammzellen………………………….…...……..…………………..7 1.4 Lokale kardiale Stammzellen ……………………………………….………….….8 1.5 Das Oberflächenantigen CD117………………….………………….……………..9 1.6 Das Oberflächenantigen CD90………..…………………………………………..10 1.7 Direkter Nachweis von CD117 und CD90 in Myokardbiopsien……….……..10 1.8 Myokarditis und Kardiomyopathie………………………………………………..11 1.9 Virtuelle Mikroskopie………………………………………...…………...............12 1.10 Hypothesen, Frage- und Zielstellungen………………………………………….12 2. Publikationen……………………………………………………………………….....14 2.1 'How to mend a broken heart: adult and induced pluripotent stem cell therapy for heart repair and regeneration.'…………………………………...…………...15 2.2 “Qualitative and Quantitative Analysis of Cardiac Progenitor Cells in Cases of Myocarditis and Cardiomyopathy”……....……….…….……………………….34 3. Zusammenfassung………………………………………………………………….57 4. Literaturverzeichnis…………………………………………...………………………62 III Anhang………………………………………………………………………………..69 IV Darstellung des eigenen wissenschaftlichen Beitrags……………………………72 V Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit………………………..…73 VI Curriculum Vitae……………………………………………..……………………….74 VII Danksagung……………………………………………………………...……………7

Qualitative and Quantitative Analysis of Cardiac Progenitor Cells in Cases of Myocarditis and Cardiomyopathy

We aimed to identify and quantify CD117+ and CD90+ endogenous cardiac progenitor cells (CPC) in human healthy and diseased hearts. We hypothesize that these cells perform a locally acting, contributing function in overcoming medical conditions of the heart by endogenous means. Human myocardium biopsies were obtained from 23 patients with the following diagnoses: Dilatative cardiomyopathy (DCM), ischemic cardiomyopathy (ICM), myocarditis, and controls from healthy cardiac patients. High-resolution scanning microscopy of the whole slide enabled a computer-based immunohistochemical quantification of CD117 and CD90. Those signals were evaluated by Definiens Tissue Phenomics® Technology. Co-localization of CD117 and CD90 was determined by analyzing comparable serial sections. CD117+/CD90+ cardiac cells were detected in all biopsies. The highest expression of CD90 was revealed in the myocarditis group. CD117 was significantly higher in all patient groups, compared to healthy specimens (*p < 0.05). The highest co-expression was found in the myocarditis group (6.75 ± 3.25 CD90+CD117+ cells/mm2) followed by ICM (4 ± 1.89 cells/mm2), DCM (1.67 ± 0.58 cells/mm2), and healthy specimens (1 ± 0.43 cells/mm2). We conclude that the human heart comprises a fraction of local CD117+ and CD90+ cells. We hypothesize that these cells are part of local endogenous progenitor cells due to the co-expression of CD90 and CD117. With novel digital image analysis technologies, a quantification of the CD117 and CD90 signals is available. Our experiments reveal an increase of CD117 and CD90 in patients with myocarditis

DataSheet1.pdf

<p>We aimed to identify and quantify CD117⁺ and CD90⁺ endogenous cardiac progenitor cells (CPC) in human healthy and diseased hearts. We hypothesize that these cells perform a locally acting, contributing function in overcoming medical conditions of the heart by endogenous means. Human myocardium biopsies were obtained from 23 patients with the following diagnoses: Dilatative cardiomyopathy (DCM), ischemic cardiomyopathy (ICM), myocarditis, and controls from healthy cardiac patients. High-resolution scanning microscopy of the whole slide enabled a computer-based immunohistochemical quantification of CD117 and CD90. Those signals were evaluated by Definiens Tissue Phenomics® Technology. Co-localization of CD117 and CD90 was determined by analyzing comparable serial sections. CD117⁺/CD90⁺ cardiac cells were detected in all biopsies. The highest expression of CD90 was revealed in the myocarditis group. CD117 was significantly higher in all patient groups, compared to healthy specimens (^*p < 0.05). The highest co-expression was found in the myocarditis group (6.75 ± 3.25 CD90⁺CD117⁺ cells/mm²) followed by ICM (4 ± 1.89 cells/mm²), DCM (1.67 ± 0.58 cells/mm²), and healthy specimens (1 ± 0.43 cells/mm²). We conclude that the human heart comprises a fraction of local CD117⁺ and CD90⁺ cells. We hypothesize that these cells are part of local endogenous progenitor cells due to the co-expression of CD90 and CD117. With novel digital image analysis technologies, a quantification of the CD117 and CD90 signals is available. Our experiments reveal an increase of CD117 and CD90 in patients with myocarditis.</p