Funktionelle Untersuchung der Endothelfunktion und der Erschöpfung regenerativer Zellen (FIERCE)

Typ-2-Diabetes (T2D) ist ein bedeutendes und weit verbreitetes globales Gesundheitsproblem. Personen, bei denen T2D diagnostiziert wurde, haben ein erhöhtes Risiko, eine atherosklerotische Herz-Kreislauf-Erkrankung (CV) zu entwickeln, eine der Hauptursachen für globale Morbidität und Mortalität.

Die Homöostase der Blutgefäße spielt eine zentrale Rolle für den Gesundheitszustand des Herz-Kreislauf-Systems. Zirkulierende vaskuläre regenerative (VR) Vorläuferzellen, die die endogenen Prozesse der Angiogenese, Vaskulogenese und Arteriogenese vermitteln, sind für die Orchestrierung der Gefäßreparatur von entscheidender Bedeutung. Bei T2D führen chronische Hyperglykämie und damit einhergehender oxidativer Stress zu einer schlecht angepassten Umgebung, die die Gefäßreparatur beeinträchtigt. T2D kann zu einem chronischen Zustand führen, der als vaskuläre regenerative Zellerschöpfung (VRCE) bekannt ist und durch die Erschöpfung und Funktionsstörung der zirkulierenden VR-Vorläuferzellen gekennzeichnet ist. Die verfügbaren Daten deuten darauf hin, dass VRCE im Zusammenhang mit T2D zu einer Funktionsstörung der VR-Zellen und einer beeinträchtigten Gefäßreparatur führen kann.

Wir haben einen multiparametrischen Durchflusszytometrie-Assay entwickelt, um den Gehalt an VR-Vorläuferzellen in Blutproben zu messen. Dieser Assay nutzt das zytosolische Entgiftungsenzym Aldehyddehydrogenase (ALDH), das in Vorläuferzellen aus hämatopoetischen, endothelialen und mesenchymalen Stromazelllinien stark exprimiert wird. Dieses Enzym schützt Vorläuferzellen vor oxidativen Schäden, die durch reaktive Sauerstoffspezies verursacht werden. Die ALDH-Aktivität wird um das bis zu Hundertfache reduziert, da sich Vorläuferzellen zu entbehrlicheren Effektorzellen differenzieren. Daher identifizieren wir Zellen mit hoher oder niedriger ALDH-Aktivität in Kombination mit Zelloberflächenmarkern, um Untergruppen von Vorläuferzellen (ALDHhi) von differenzierteren Nachkommen (ALDHlow) zu unterscheiden. In Verbindung mit „Side Scatter“ (SSC), einem Parameter, der mit der Granularität oder Komplexität einer Zelle korreliert, kann dieser Assay zwischen hämatopoetischen/endothelialen ALDHhiSSClow-Vorläuferzellen, ALDHhiSSCmid-Monozyten und ALDHhiSSChi-Granulozytenvorläufern unterscheiden und diese quantifizieren. Zuvor wurde gezeigt, dass aus dem Knochenmark stammende ALDHhiSSClow-Zellen die primitiven Zellmarker CD34 und CD133 koexprimieren und in vitro eine multipotente hämatopoetische Koloniebildungsfähigkeit aufweisen. Im immundefizienten NOD/SCID-Mausmodell der Ischämie der Hinterbeine führte die Transplantation von ALDHhiSSClow-Zellen in das ischämische Glied zu einer verbesserten Wiederherstellung der Muskelperfusion. Das Potenzial dieser Zelltherapie zur Verhinderung von Amputationen bei Personen mit kritischer Extremitätenischämie wurde in klinischen Studien untersucht.

Das periphere Blut von Personen, die seit mehr als 10 Jahren mit T2D leben, weist im Vergleich zu Personen, die nicht mit T2D leben, eine Verarmung an ALDHhiSSClow VR-Vorläuferzellen, eine geringere Häufigkeit von ALDHhiSSCmid-Monozyten mit gefäßreparativer Funktion und eine erhöhte Häufigkeit von ALDHhiSSChi-Vorläufern entzündlicher Granulozyten auf . Der VRCE-Phänotyp kehrte sich bei Menschen mit T2D und bestehender koronarer Herzkrankheit (KHK) teilweise um, nachdem sie 6 Monate lang den SGLT2-Inhibitor Empagliflozin eingenommen hatten. Auch die durch Fettleibigkeit verursachte VR-Zell-Depletion wurde 3 Monate nach der bariatrischen Operation rückgängig gemacht. Diese Ergebnisse lieferten insgesamt einen mechanistischen Zusammenhang zwischen T2D, Fettleibigkeit und beeinträchtigter Gefäßhomöostase/-reparatur und zeigten außerdem, dass VRCE in einem Diabetikermilieu mit hohem kardiovaskulären Risiko therapeutisch rückgängig gemacht werden kann.

FIERCE wird den VR-Zellinhalt bei Personen mit Typ-2-Diabetes (<10 Jahre Dauer) sowie bei Personen gleichen Alters und Geschlechts ohne Typ-2-Diabetes bewerten. Außerdem wird die Funktion zirkulierender ALDHhi-VR-Zellen beurteilt durch: (1) endotheliale periphere arterielle Tonometrie (EndoPAT) zur klinischen Analyse der Endothelfunktion anhand des reaktiven hyperämischen Index, (2) multipotente hämatopoetische Koloniebildungstests in vitro, (3) Einzelzelle RNA-Sequenzierung (scRNA-seq), die sich auf die mRNA-Expression im Zusammenhang mit Angiogenese konzentriert, und (4) quantitative, markierungsfreie Sekretomanalysen zur Bestimmung von Veränderungen in der proangiogenen Proteinsekretion.

Wir nehmen an, dass VRCE die Gefäßreparatur und Blutgefäßregeneration während T2D beeinträchtigt und teilweise durch beeinträchtigte proangiogene Eigenschaften von VR-Vorläuferzell-Untergruppen verursacht wird. Insbesondere postulieren wir, dass die Bildung multipotenter hämatopoetischer Kolonien, die proangiogene Zytokin-mRNA-Expression und die proangiogene Proteinfreisetzung in Untergruppen von ALDHhi-Vorläuferzellen von Personen, die mit T2D leben, im Vergleich zu Teilnehmern, die nicht mit T2D leben, geringer sein werden. Wir gehen auch davon aus, dass Personen, die mit T2D leben, einen niedrigeren reaktiven Hyperämieindex aufweisen als Personen, die nicht mit T2D leben.

Die Charakterisierung der Funktionsstörung von ALDHhi-Vorläufer-VR-Zellen im Zusammenhang mit T2D wird einen Proof-of-Concept liefern, um die potenzielle Verwendung des VR-Zellinhalts als quantifizierbaren und funktionellen Indikator für die Gefäßgesundheit zu unterstützen.