Analyse der morphologischen Parameter der Kardiomyozyten und der myokardialen Vaskularisierung des Primaten mit transplantierten Kardiomyozyten-Patches
Analysis of the Morphological Parameters of Cardiomyocytes and Myocardial Vascularisation in Primates with Transplanted Cardiomyocyte Patches
by Maike Kolf
Date of Examination:2024-10-30
Date of issue:2024-10-18
Advisor:Prof. Dr. Felix Bremmer
Referee:Prof. Dr. Felix Bremmer
Referee:Prof. Dr. Wolfram-Hubertus Zimmermann
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Format:PDF
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Abstract
English
The heart sustains the systemic and pulmonary circulation through its pumping function. A wide range of cardiac diseases can impair heart function. The high morbidity and mortality associated with cardiac diseases, along with their global prevalence, demonstrate that this is a significant issue. This is primarily due to the heart's limited regenerative capacity. Cardiac events can damage contractile units, leading to myocardial remodelling processes. The small subpopulation of cardiomyocytes capable of re-entering the cell cycle is often insufficient to repair damaged tissue and compensate for functional loss. As a result, dysfunctions can develop, which may eventually lead to heart failure. Various pharmacological and surgical treatment options exist for heart failure. However, in the terminal stages, therapeutic options are limited, which is why in vitro-engineered cardiac transplants (patches) are being investigated as a potential treatment. The aim of the engineered heart muscle is to integrate into the recipient myocardium, strengthen it functionally, and compensate for heart dysfunctions over the long term. The study cohort included 21 non-human primates of the species “Macaca mulatta”, in which in vitro-engineered cardiomyocyte patches were transplanted. The focus of this study was on the structure of the primate myocardium concerning the morphological parameters of cardiomyocytes and myocardial vascularisation. The patch itself was also analysed. Understanding the morphological parameters of cardiomyocytes and vascularisation is essential for generating reference values for comparison with the patch. The hearts of the animals were dissected, histological sections were made, and various (immunohistochemical) staining techniques were performed. Specific areas were defined where cardiomyocytes were measured and capillaries were counted using QuPath software. The analysis revealed that the morphological parameters of cardiomyocytes (area, perimeter, diameter, and length) were significantly larger in the left ventricle than in the right ventricle. No significant difference was observed between the subendocardial myocardium (overall) and the subepicardial myocardium (overall). However, when considered individually, the subendocardial cardiomyocytes in the left ventricle had significantly larger values than those in the right ventricle. Similarly, the subepicardial cardiomyocytes in the left ventricle had higher values than those in the right. Compared to the patch, both left and right ventricular parameters were significantly elevated. With regard to vascularisation, no significant difference was found between the left and right ventricles. However, in our analysis, the subendocardial myocardium had a significantly higher number of capillaries per 1 mm^2 compared to the subepicardial myocardium. This finding was also significant within each ventricle. Both the right and left ventricles showed higher vascularisation in the subendocardial myocardium than in the subepicardial region. No significant differences were observed between the subendocardial myocardium of the left and right ventricles, nor between the subepicardial myocardium of both ventricles. The number of capillaries per 1mm^2 was significantly higher in both the left and right ventricles compared to the patch. The large sample size and the precise measurement method using QuPath contribute to the reliability of the data and increase the statistical power of the results. Comparisons with previous studies on cardiomyocyte morphology and myocardial vascularisation in human hearts and rodents revealed both consistent and, in some cases, contradictory findings. Whether the discrepancies with earlier publications are due to methodological differences or species variation (in this case, primates) requires further investigation. The analysis of the in vitro-engineered patch showed that it possessed sufficient vascularisation. Successful integration into the recipient myocardium’s vascular network allowed the patch to autonomously receive nutrients and eliminate metabolic waste.
Keywords: Heart failure; Engineered Heart Muscle; Cardiac transplants; Morphological parameters of cardiomyocytes; Myocardial vascularisation; Non-human primates
German
Das Herz hält mit seiner Pumpfunktion den Körper- und Lungenkreislauf aufrecht. Es gibt eine Vielzahl kardialer Erkrankungen, jene die Herzfunktionen schädigen können. Eine hohe Morbidität und Mortalität kardialer Erkrankungen und die hohe Prävalenz weltweit zeigen, dass es sich um ein relevantes Problem handelt. Zugrunde liegt die geringe Fähigkeit des Herzens zur Regeneration. Kardiale Ereignisse können kontraktile Einheiten schädigen und infolgedessen myokardiale Modulationsprozesse stattfinden. Die vorhandene, aber äußerst geringe Subpopulation an Kardiomyozyten, die wieder in den Zellzyklus eintreten kann, ist oft nicht ausreichend, um geschädigtes Gewebe zu reparieren und einen Funktionsverlust zu kompensieren. Die Folge sind Dysfunktionen die langfristig in den Symptomkomplex der Herzinsuffizienz führen können. Es existieren verschiedene medikamentöse und chirurgische Behandlungsmöglichkeiten der Herzinsuffizienz. Für die terminalen Stadien sind die Therapieoptionen begrenzt, weshalb in vitro hergestellte, kardiale Transplantate (Patches) als mögliche Behandlungsoption erforscht werden. Der Engineered Heart Muscle soll sich langfristig ins Empfängermyokard integrieren, es funktionell stärken und Dysfunktionen des Herzens ausgleichen. Das Versuchskollektiv dieser Arbeit bestand aus 21 nichtmenschlichen Primaten der Spezies Macaca mulatta mit transplantierten, in vitro hergestellten Kardiomyozyten-Patches. Das Interesse dieser Arbeit galt dem Aufbau des (physiologischen) Myokards der Primaten hinsichtlich der morphologischen Parameter der Kardiomyozyten und der myokardialen Vaskularisierung. Zudem wurde das Patch analysiert. Die Kenntnisse über die morphologischen Parameter der Kardiomyozyten und die Vaskularisierung sind essenziell, um Referenzwerte zu generieren und diese dann mit dem Patch zu vergleichen. Die Herzen der Tiere wurden präpariert, histologische Schnitte hergestellt und verschiedene (immunhistochemische) Färbungen durchgeführt. Es gab definierte Bereiche, in denen die Kardiomyozyten gemessen und die Kapillaren gezählt wurden. Dies erfolgte mit dem Programm QuPath. In den Untersuchungen zeigte sich, dass die morphologischen Parameter der Kardiomyozyten (Fläche, Umfang, Querdurchmesser und Länge) im linken Ventrikel signifikant größer waren als im rechten Ventrikel. Zwischen den Kardiomyozyten des subendokardialen Myokards (Gesamt) und des subepikardialen Myokards (Gesamt) bestand kein signifikanter Unterschied. Auch einzeln betrachtet zeigte der linke Ventrikel bei den subendokardial gelegenen Kardiomyozyten signifikant größere Werte als der rechte Ventrikel subendokardial. Ebenso waren die Parameter der subepikardial gelegenen Kardiomyozyten im linken Ventrikel höher als im rechten. Im Vergleich mit dem Patch waren die Parameter des linken und rechten Ventrikels deutlich erhöht. Bei der Vaskularisierung war kein signifikanter Unterschied zwischen dem linken und rechten Ventrikel festzustellen. In unseren Analysen zeigte das subendokardiale Myokard eine signifikant höhere Anzahl an Kapillaren pro 1 mm^2 als das subepikardiale Myokard. Innerhalb eines Ventrikels war dieses Ergebnis ebenfalls signifikant. Es gab subendokardial sowohl im rechten als auch im linken Ventrikel eine höhere Vaskularisierung als im subepikardialen Myokard. Der Vergleich zwischen dem subendokardialen Myokard des rechten und des linken Ventrikels sowie zwischen dem subepikardialen Myokard beider Ventrikel ergab keine Signifikanzen. Die Anzahl der Kapillaren pro 1 mm^2 war im linken und rechten Ventrikel deutlich höher als im Patch. Die hohe Anzahl der Tiere und die exakte Messmethode mit dem Programm QuPath sprechen für eine hohe Zuverlässigkeit der Daten und erhöhen die statistische Aussagekraft der Ergebnisse. Der Vergleich mit vorherigen Untersuchungen der Kardiomyozytenmorphologie und der myokardialen Vaskularisierung an menschlichen Herzen und Nagern zeigte zum Teil ähnliche, zustimmende Ergebnisse, zum Teil widersprachen sich die Daten. Ob die Methodik oder eine andere Spezies (hier Primaten) für die Diskrepanzen zu einigen früheren Veröffentlichungen verantwortlich war, lässt sich nur in weiterführenden Untersuchungen klären. Die Analyse des in vitro hergestellten Patches offenbarte, dass eine ausreichende Vas-kularisierung im Patch vorhanden war. Die gelungene Integration in die Vaskularisierung des Empfängermyokards ermöglichte dem Patch die selbstständige Versorgung mit Nährstoffen und den Abtransport von Stoffwechselprodukten.
Schlagwörter: Herzinsuffizienz; Engineered Heart Muscle; Kardiale Transplantate; Morphologische Parameter der Kardiomyozyten; Myokardiale Vaskularisierung; Nichtmenschliche Primaten