TY  - THES
A1  - Mekala, SubbaRao
T1  - Generation of cardiomyocytes from vessel wall-resident stem cells
T1  - Erzeugung von Kardiomyozyten aus Gefäßwand-residenten Stammzellen
N2  - Myocardial infarction (MI) is a major cause of health problems and is among the leading deadly ending diseases. Accordingly, regenerating functional myocardial tissue and/or cardiac repair by stem cells is one of the most desired aims worldwide. Indeed, the human heart serves as an ideal target for regenerative intervention, because the capacity of the adult myocardium to restore itself after injury or infarct is limited. Thus, identifying new sources of tissue resident adult stem or progenitor cells with cardiovascular potential would help to establish more sophisticated therapies in order to either prevent cardiac failure or to achieve a functional repair. Ongoing research worldwide in this field is focusing on a) induced pluripotent stem (iPS) cells, b) embryonic stem (ES) cells and c) adult stem cells (e. g. mesenchymal stem cells) as well as cardiac fibroblasts or myofibroblasts. However, thus far, these efforts did not result in therapeutic strategies that were transferable into the clinical management of MI and heart failure. Hence, identifying endogenous and more cardiac-related sources of stem cells capable of differentiating into mature cardiomyocytes would open promising new therapeutic opportunities. The working hypothesis of this thesis is that the vascular wall serves as a niche for cardiogenic stem cells. In recent years, various groups have identified different types of progenitors or mesenchymal stem cell-like cells in the adventitia and sub-endothelial zone of the adult vessel wall, the so called vessel wall-resident stem cells (VW-SCs). Considering the fact that heart muscle tissue contains blood vessels in very high density, the physiological relevance of VW-SCs for the myocardium can as yet only be assumed. The aim of the present work is to study whether a subset of VW-SCs might have the capacity to differentiate into cardiomyocyte-like cells. This assumption was challenged using adult mouse aorta-derived cells cultivated in different media and treated with selected factors. The presented results reveal the generation of spontaneously beating cardiomyocyte-like cells using specific media conditions without any genetic manipulation. The cells reproducibly started beating at culture days 8-10. Further analyses revealed that in contrast to several publications reporting the Sca-1+ cells as cardiac progenitors the Sca-1- fraction of aortic wall-derived VW-SCs reproducibly delivered beating cells in culture. Similar to mature cardiomyocytes the beating cells developed sarcomeric structures indicated by the typical cross striated staining pattern upon immunofluorescence analysis detecting α-sarcomeric actinin (α-SRA) and electron microscopic analysis. These analyses also showed the formation of sarcoplasmic reticulum which serves as calcium store. Correspondingly, the aortic wall-derived beating cardiomyocyte-like cells (Ao-bCMs) exhibited calcium oscillations. This differentiation seems to be dependent on an inflammatory microenvironment since depletion of VW-SC-derived macrophages by treatment with clodronate liposomes in vitro stopped the generation of Ao bCMs. These locally generated F4/80+ macrophages exhibit high levels of VEGF (vascular endothelial growth factor). To a great majority, VW-SCs were found to be positive for VEGFR-2 and blocking this receptor also stopped the generation VW-SC-derived beating cells in vitro. Furthermore, the treatment of aortic wall-derived cells with the ß-receptor agonist isoproterenol or the antagonist propranolol resulted in a significant increase or decrease of beating frequency. Finally, fluorescently labeled aortic wall-derived cells were implanted into the developing chick embryo heart field where they became positive for α-SRA two days after implantation. The current data strongly suggest that VW-SCs resident in the vascular adventitia deliver both progenitors for an inflammatory microenvironment and beating cells. The present study identifies that the Sca-1- rather than Sca-1+ fraction of mouse aortic wall-derived cells harbors VW-SCs differentiating into cardiomyocyte-like cells and reveals an essential role of VW-SCs-derived inflammatory macrophages and VEGF-signaling in this process. Furthermore, this study demonstrates the cardiogenic capacity of aortic VW-SCs in vivo using a chimeric chick embryonic model.
N2  - Der Myokardinfarkt (MI) ist einer der Hauptgründe für gesundheitliche Probleme und zählt zu einer der am häufigsten tödlich verlaufenden Krankheiten weltweit. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Regeneration von funktionellem Myokardgewebe und/oder die kardiale Reparatur durch Stammzellen eines der weltweit am meisten angestrebten Ziele darstellt. Das adulte menschliche Herz stellt aufgrund seiner äußerst eingeschränkten endogenen Regenerationskapazität, die bei weitem nicht ausreicht, das geschädigte Gewebe zu erneuern, ein ideales Zielorgan für regenerative Therapieverfahren dar. Folglich könnte die Identifizierung neuer Quellen adulter Stamm- oder Vorläuferzellen mit kardiovaskulärem Differenzierungspotential dabei helfen, verfeinerte Therapien zu entwickeln, um entweder kardiale Fehlfunktionen zu verhindern oder eine deutlich verbesserte myokardiale Reparatur zu erreichen. Die aktuelle weltweite Forschung auf diesem Gebiet fokussiert sich auf: a) induzierte pluripotente Stammzellen (iPS), b) embryonale Stammzellen (ES) und c) adulte Stammzellen, wie z. B. mesenchymale Stammzellen, kardiale Fibroblasten und Mesangioblasten sowie Myofibroblasten. Bisher haben jedoch alle Bemühungen noch zu keinem Durchbruch geführt, so dass die teilweise vielversprechenden experimentellen Ergebnisse nicht in die klinische Therapie des MI und der kardialen Defekte mittels Stammzellen transferiert werden können. Abgesehen davon, ob und wie stark so ein endogenes herzeigenes Potential wäre, würde die Identifizierung neuer endogener Stammzellen mit kardiogenem Potential, die genaue Charakterisierung ihrer Nischen und der Mechanismen ihrer Differenzierung einen Meilenstein in der kardioregenerativen Stammzelltherapie darstellen. Die Arbeitshypothese der hier vorgelegten Dissertation besagt, dass die Gefäßwand als Nische solcher Zellen dienen könnte. Innerhalb der letzten Jahre konnte die Adventitia und die subendotheliale Zone der adulten Gefäßwand als Nische für unterschiedliche Typen von Vorläuferzellen und multipotenten Stammzellen, die sogenannten Gefäßwand-residenten Stammzellen (VW-SCs) identifiziert werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Blutgefäße aufgrund ihrer hohen Dichte im Herzen eine essentielle stromale Komponente des Herzgewebes darstellen, kann die mögliche klinische Relevanz von VW-SCs für das Myokardium im Moment nur erahnt werden. Ausgehend von der Annahme, dass eine Subpopulation dieser VW-SCs die Fähigkeit besitzt, sich in Kardiomyozyten-ähnliche Zellen zu differenzieren, sollte im Rahmen dieser Dissertationsarbeit das myokardiale Potential der Gefäßwand-residenten Stammzellen aus der Aorta adulter Mäuse studiert werden, indem die Zellen unter unterschiedlichen definierten Bedingungen kultiviert und dann sowohl morphologisch als auch funktionell charakterisiert werden. Erstaunlicherweise zeigten die ersten Ergebnisse die Generierung spontan schlagender Kardiomyozyten-ähnlicher Zellen, nur durch Verwendung eines speziellen Nährmediums und ohne jegliche genetische Manipulation. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysen belegen zudem, dass die Kardiomyozyten-ähnlichen Zellen reproduzierbar nach ca. 9-11 Tagen in der Kultur anfangen, spontan zu schlagen. In immunzytochemischen Analysen zeigten die schlagenden Zellen ein quergestreiftes Färbemuster für α sarkomeres Actinin. Passend dazu wiesen diese spontan schlagenden Zellen, wie reife Kardiomyozyten, Sarkomerstrukturen mit Komponenten des sarkoplasmatischen Retikulums in elektronenmikroskopischen Analysen auf. Sie zeigten dementsprechend eine mit dem spontanen Schlag assoziierte Kalzium-Oszillation. Erstaunlicherweise zeigten die hier vorgelegten Befunde erstmalig, dass es nicht die Sca-1+ (stem cell antigen-1) Zellen waren, denen seit Jahren eine kardiomyozytäre Kapazität zugeschrieben wird, sondern es waren die Sca-1- Zellen der Mausaorta, die sich zu den spontan schlagenden Zellen differenzierten. Des Weiteren scheint diese Differenzierung von einer endogen generierten inflammatorischen Mikroumgebung abhängig zu sein. Die hier vorgelegten Ergebnisse legen daher den Schluss nahe, dass die VW-SCs in der vaskulären Adventitia sowohl die inflammatorische Mikroumgebung als auch die spontan schlagenden Kardiomyozyten-ähnlichen Zellen bereitstellten. So entstanden in der Kultur aortaler Zellen unter anderem auch Makrophagen, die hohe Mengen des Gefäßwachstumsfaktors VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) aufweisen. Wurden die Makrophagen in der Zellkultur durch Zugabe von Clodtronat-Liposomen depletiert, so wurde damit auch die Generierung spontan schlagender Zellen aus den aortalen VW-SCs unterbunden. Um zu testen, ob und inwieweit dieser Einfluss der Makrophagen auf die Entstehung spontan schlagender Zellen aus den VW-SCs auf den VEGF zurückzuführen ist, wurden kultivierte Zellen der Mausaorta mit dem VEGF-Rezeptor-2-Blocker (E7080) behandelt. Auch diese Behandlung resultierte wie bei der Depletion von Makrophagen darin, dass keine spontan schlagenden Zellen entstanden. Um die von VW-SCs generierten spontan schlagenden Zellen funktionell zu charakterisieren, wurden die kultivierten Zellen der Mausaorta mit Isoproterenol (ß-Sympathomimetikum) und Propranolol (ß-Blocker) behandelt. Eine signifikante Steigerung der Schlagfrequenz unter Isoproterenol und eine Reduzierung bei Zugabe von Propranolol unterstreichen ebenfalls die Kardiomyozyten-ähnliche Eigenschaft der spontan schlagenden Zellen. Schließlich wurden die aus der Mausaorta isolierten Zellen Fluoreszenz-markiert und dann in das kardiale Feld des sich entwickelnden Hühnerembryos (am fünften Tag der Entwicklung) implantiert. Zwei Tage später wurden die Herzen entnommen. Immunfärbungen zeigten, dass ein Teil der implantierten Zellen auch unter diesen in vivo-Bedingungen für α-sarkomeres Actinin positiv wurde und somit einen kardiomyozytären Phänotyp aufwies.
KW  - vessel wall resident stem cells
KW  - cardiomyocytes
KW  - Herzmuskelzelle
KW  - Stammzelle
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-146046
N1  - My PhD research work has been published in Circ Res. 2018 Aug 31;123(6):686-699.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleefeldt, Florian
A1  - Bömmel, Heike
A1  - Broede, Britta
A1  - Thomsen, Michael
A1  - Pfeiffer, Verena
A1  - Wörsdörfer, Philipp
A1  - Karnati, Srikanth
A1  - Wagner, Nicole
A1  - Rueckschloss, Uwe
A1  - Ergün, Süleyman
T1  - Aging‐related carcinoembryonic antigen‐related cell adhesion molecule 1 signaling promotes vascular dysfunction
JF  - Aging Cell
N2  - Aging is an independent risk factor for cardiovascular diseases and therefore of particular interest for the prevention of cardiovascular events. However, the mechanisms underlying vascular aging are not well understood. Since carcinoembryonic antigen‐related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) is crucially involved in vascular homeostasis, we sought to identify the role of CEACAM1 in vascular aging. Using human internal thoracic artery and murine aorta, we show that CEACAM1 is upregulated in the course of vascular aging. Further analyses demonstrated that TNF‐α is CEACAM1‐dependently upregulated in the aging vasculature. Vice versa, TNF‐α induces CEACAM1 expression. This results in a feed‐forward loop in the aging vasculature that maintains a chronic pro‐inflammatory milieu. Furthermore, we demonstrate that age‐associated vascular alterations, that is, increased oxidative stress and vascular fibrosis, due to increased medial collagen deposition crucially depend on the presence of CEACAM1. Additionally, age‐dependent upregulation of vascular CEACAM1 expression contributes to endothelial barrier impairment, putatively via increased VEGF/VEGFR‐2 signaling. Consequently, aging‐related upregulation of vascular CEACAM1 expression results in endothelial dysfunction that may promote atherosclerotic plaque formation in the presence of additional risk factors. Our data suggest that CEACAM1 might represent an attractive target in order to delay physiological aging and therefore the transition to vascular disorders such as atherosclerosis.
KW  - aging
KW  - anti‐aging
KW  - cytokines
KW  - inflammation
KW  - mouse
KW  - reactive oxygen species
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-201231
VL  - 2019
IS  - 18
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wörsdörfer, Philipp
A1  - Dalda, Nahide
A1  - Kern, Anna
A1  - Krüger, Sarah
A1  - Wagner, Nicole
A1  - Kwok, Chee Keong
A1  - Henke, Erik
A1  - Ergün, Süleyman
T1  - Generation of complex human organoid models including vascular networks by incorporation of mesodermal progenitor cells
JF  - Scientific Reports
N2  - Organoids derived from human pluripotent stem cells are interesting models to study mechanisms of morphogenesis and promising platforms for disease modeling and drug screening. However, they mostly remain incomplete as they lack stroma, tissue resident immune cells and in particular vasculature, which create important niches during development and disease. We propose, that the directed incorporation of mesodermal progenitor cells (MPCs) into organoids will overcome the aforementioned limitations. In order to demonstrate the feasibility of the method, we generated complex human tumor as well as neural organoids. We show that the formed blood vessels display a hierarchic organization and mural cells are assembled into the vessel wall. Moreover, we demonstrate a typical blood vessel ultrastructure including endothelial cell-cell junctions, a basement membrane as well as luminal caveolae and microvesicles. We observe a high plasticity in the endothelial network, which expands, while the organoids grow and is responsive to anti-angiogenic compounds and pro-angiogenic conditions such as hypoxia. We show that vessels within tumor organoids connect to host vessels following transplantation. Remarkably, MPCs also deliver Iba1\(^+\) cells that infiltrate the neural tissue in a microglia-like manner.
KW  - Developmental biology
KW  - Stem cells
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-202681
VL  - 9
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Aktas, Bertal H.
A1  - Upcin, Berin
A1  - Henke, Erik
A1  - Padmasekar, Manju
A1  - Qin, Xuebin
A1  - Ergün, Süleyman
T1  - The Best for the Most Important: Maintaining a Pristine Proteome in Stem and Progenitor Cells
JF  - Stem Cells International
N2  - Pluripotent stem cells give rise to reproductively enabled offsprings by generating progressively lineage-restricted multipotent stem cells that would differentiate into lineage-committed stem and progenitor cells. These lineage-committed stem and progenitor cells give rise to all adult tissues and organs. Adult stem and progenitor cells are generated as part of the developmental program and play critical roles in tissue and organ maintenance and/or regeneration. The ability of pluripotent stem cells to self-renew, maintain pluripotency, and differentiate into a multicellular organism is highly dependent on sensing and integrating extracellular and extraorganismal cues. Proteins perform and integrate almost all cellular functions including signal transduction, regulation of gene expression, metabolism, and cell division and death. Therefore, maintenance of an appropriate mix of correctly folded proteins, a pristine proteome, is essential for proper stem cell function. The stem cells' proteome must be pristine because unfolded, misfolded, or otherwise damaged proteins would interfere with unlimited self-renewal, maintenance of pluripotency, differentiation into downstream lineages, and consequently with the development of properly functioning tissue and organs. Understanding how various stem cells generate and maintain a pristine proteome is therefore essential for exploiting their potential in regenerative medicine and possibly for the discovery of novel approaches for maintaining, propagating, and differentiating pluripotent, multipotent, and adult stem cells as well as induced pluripotent stem cells. In this review, we will summarize cellular networks used by various stem cells for generation and maintenance of a pristine proteome. We will also explore the coordination of these networks with one another and their integration with the gene regulatory and signaling networks.
KW  - Endoplasmic-Reticulum Stress
KW  - Heme-regulated inhibitor
KW  - Human Muse Cells
KW  - Transcription factor NRF1
KW  - ER-Stress
KW  - Hematopoietic Stem
KW  - Quality-control
KW  - Messenger-RNAs
KW  - Neural Differentiation
KW  - Translation Initiation
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-227769
ER  -