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Extracts from the leaves and flowers of Crataegus spp. (i.e., hawthorn species) have been traditionally used with documented preclinical and clinical activities in cardiovascular medicine. Based on reported positive effects on heart muscle after ischemic injury and the overall cardioprotective profile, the present study addressed potential contributions of Crataegus extracts to cardiopoietic differentiation from stem cells. The quantified Crataegus extract WS®1442 stimulated cardiomyogenesis from murine and human embryonic stem cells (ESCs). Mechanistically, this effect was found to be induced by promoting differentiation of cardiovascular progenitor cell populations but not by proliferation. Bioassay-guided fractionation, phytochemical and analytical profiling suggested high-molecular weight ingredients as the active principle with at least part of the activity due to oligomeric procyanidines (OPCs) with a degree of polymerization between 3 and 6 (DP3–6). Transcriptome profiling in mESCs suggested two main, plausible mechanisms: These were early, stress-associated cellular events along with the modulation of distinct developmental pathways, including the upregulation of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and retinoic acid as well as the inhibition of transforming growth factor β/bone morphogenetic protein (TGFβ/BMP) and fibroblast growth factor (FGF) signaling. In addition, WS®1442 stimulated angiogenesis ex vivo in Sca-1+ progenitor cells from adult mice hearts. These in vitro data provide evidence for a differentiation promoting activity of WS®1442 on distinct cardiovascular stem/progenitor cells that could be valuable for therapeutic heart regeneration after myocardial infarction. However, the in vivo relevance of this new pharmacological activity of Crataegus spp. remains to be investigated and active ingredients from bioactive fractions will have to be further characterized.
Abstract
Differentiation of cardiac progenitor cells (CPC) into cardiomyocytes is a fundamental step in cardiogenesis, which is marked by changes in gene expression responsible for remodeling of the cytoskeleton and in altering the mechanical properties of cells. Here we have induced the differentiation of CPC derived from human pluripotent stem cells into immature cardiomyocytes (iCM) which we compare with more differentiated cardiomyocytes (mCM). Using atomic force microscopy and real‐time deformability cytometry, we describe the mechanodynamic changes that occur during the differentiation process and link our findings to protein expression data of cytoskeletal proteins. Increased levels of cardiac‐specific markers as well as evolution of cytoskeletal morphology and contractility parameters correlated with the expected extent of cell differentiation that was accompanied by hypertrophic growth of cells. These changes were associated with switching in the balance of the different actin isoforms where β‐actin is predominantly found in CPC, smooth muscle α‐actin is dominant in iCM cells and sarcomeric α‐actin is found in significantly higher levels in mCM. We link these cytoskeletal changes to differences in mechano‐dynamic behavior of cells that translate to changes in Young's modulus that depend on the cell adherence. Our results demonstrate that the intracellular balance of actin isoform expression can be used as a sensitive ruler to determine the stage of differentiation during early phases of cardiomyocyte differentiation that correlates with an increased expression of sarcomeric proteins and is accompanied by changes in cellular elasticity.
Trotz multimodaler Behandlungschemata bestehend aus Resektion, Chemotherapie und Radiatio stellt das Glioblastoma multiforme nach wie vor eine große Herausforderung auf onkologischem Gebiet dar. Dieser hochmaligne Hirntumor ist durch eine hohe zelluläre Proliferationsrate, diffuse Infiltration, Anwesenheit von Nekrosen, Angiogenese, mikrovaskuläre Hyperplasie, Apoptoseresistenz und genomische Instabilität charakterisiert. Aufgrund der Invasivität und Rezidivierung beträgt das mediane Gesamtüberleben der Patienten mit einem Glioblastom nur 15 Monate, so dass eine intensive Erforschung neuer Therapiestrategien zwingend erforderlich ist. Eine onkogene Funktion des Transkriptionsfaktors MEF (Myeloid ELF-1-like Factor) ist bereits für andere Tumorentitäten wie Ovarialkarzinome und akute myeloische Leukämie beschrieben. Seine Wirkung vermittelt MEF in diesen Tumoren sowohl über eine Inhibition des p53-Signalwegs als auch p53-unabhängig. In Gehirntumoren ist bislang die Bedeutung der Expression und Funktion von MEF vollkommen unerforscht. In der vorliegenden Arbeit kann erstmals eine signifikante Überexpression von MEF in humanen Glioblastomen verglichen mit gesundem Gehirngewebe nachgewiesen werden. Die Analyse der unterschiedlichen, molekularbiologisch definierten Subtypen des Glioblastoma multiforme zeigte, dass Patienten mit proneuralen Glioblastomen bei niedriger MEF-Expression signifikant länger überleben als Patienten desselben Subtyps mit hoher MEF-Expression. Eine signifikante Häufung der für den proneuralen Subtyp charakteristischen IDH1-Mutation unter den Patienten mit niedriger MEF-Expression und längerem Gesamtüberleben unterstreicht den Einfluss von MEF auf die Progression des proneuralen Glioblastomsubtyps. Äquivalent zu den humanen Daten überleben in einem speziell für den proneuralen Glioblastomsubtyp etablierten Mausmodell Gliom-tragende Mef-/--Mäuse signifikant länger als die entsprechenden Mef-exprimierenden Mäuse. Mef-/--Mäuse weisen zudem signifikant benignere Gliome als die Mef-exprimierenden Mäuse auf. Die Mef-abhängige Entstehung der Gliome wird zum einen über eine stärkere, p53-unabhängige Zellproliferation hervorgerufen, die mit einer erniedrigten p21-Expression in den Mef-exprimierenden Zellen verglichen mit den Mef-/--Zellen assoziiert ist. Zum anderen bewirkt MEF eine signifikante, p53-unabhängige Zunahme von tumorinitiierenden Glioblastomstammzellen sowie ihrer Selbsterneuerung, was anhand einer gesteigerten Neurosphärenbildung, einer Zunahme der die Stammzellen enthaltenden Side Population und einer verstärkten Expression des neuronalen Stammzellmarkers Nestin verdeutlicht wird. Zusätzliche Expressionsanalysen weisen darauf hin, dass MEF direkt über eine Regulation des Transkriptionsfaktors Sox2 als wichtige Komponente im Netzwerk der Stammzell-Signaltransduktion wirkt, während die Transkriptionsfaktoren Oct4 und Nanog möglicherweise indirekt durch MEF beeinflusst werden. Eine für die Radiotherapie von Glioblastompatienten relevante Funktion könnte MEF ebenfalls besitzen, da sich humane Glioblastomzellen gemäß Analysen der subG1-Phase des Zellzyklusses unter Radiotherapie signifikant apoptoseresistenter verhalten, wenn sie MEF exprimieren als bei dessen Verlust. Zusammenfassend geben die Daten dieser Arbeit Anlass zur Hoffnung, in MEF ein für die Tumorentität des Glioblastoma multiforme bedeutsames Onkogen identifiziert zu haben, welches neben seiner wissenschaftlichen Novität zukünftig im klinischen Alltag eine Bedeutung als prognostischer Marker haben könnte. Gemäß den Daten dieser Arbeit könnten insbesondere Patienten, die die molekularen Besonderheiten des proneuralen Subtyps, wie eine IDH1-Mutation, aufweisen, von einer individualisierten Therapie mit MEF-Inhibitoren profitieren, denn Patienten mit einem Glioblastom des proneuralen Subtyps sowie einer niedrigen MEF-Expression zeigen einen signifikanten Überlebensvorteil. Durch eine Behandlung mit einem MEF-Inhibitor könnte bei Glioblastompatienten des proneuralen Subtyps mit hoher MEF-Expression die Wirkung des Onkogens MEF gehemmt und damit das Überleben der Patienten verlängert werden.