• Aucun résultat trouvé

ESC  differentiate  into  different  cell  types  despite  efforts  for  directed  differentiation  protocols. Sorting specific differentiated or progenitor cell types cannot be circumvented  yet.  Consequently,  there  is  the  necessity  to  eliminate  undesired  cell  types,  before  characterization and functional analysis.  

For applications such as drug screening as well as pharmacological and/or toxicity predictive  studies ESC‐derived cardiomyocytes are considered a valuable tool [1, 101]. Taking into  account that differentiation of mESC into spontaneously beating embryoid bodies results in  1‐3%  cardiomyocytes  [1],  it  becomes  obvious  that  efficient  enrichment  and  isolation  strategies prior to experimentation are critical before manipulation.  

If the availability  of “pure” cell populations is important for in vitro assays like  drug  screening,  toxicity  assays  and  so  forth,  this  is  especially  true for  cell  transplantation  experiments, not only in animals but eventually in future clinical settings [102]. A pure and  homogenous cell population would thereof demonstrate an invaluable benefit for medicinal  applications, like cell replacement therapies for diverse diseases. However, standards on the  definition  of  a  “pure”  versus  “heterogeneous”  cell  population  must  be  agreed  on. 

Furthermore is the scale‐up, which should provide a sufficient number of cells, important to  address.  

As cardiac diseases are the number one cause of death worldwide [103, 104], the possibility  of having a source of ESC at hand that develops spontaneously into bona fide cardiac cells,  has ever since raised the hope for cell replacement strategies of the damaged heart. So far  however,  results  obtained  with  cardiac  replacement  experiments  in  animal  models, 

depending on the cell source and the delivery method used, have been modestly successful  [14]. Several controversial issues remain to be clarified. Hurdles to overcome include 1) the  successful delivery and integration of donor cells in the recipient’s heart, 2) the avoidance of  generating tumors or unwanted cell types, and 3) the prevention of arrhythmias deriving  from non electrically‐connected cells. Not last, aside from immunological issues that need to  be addressed, the overall improved cardiac function, a prolonged life and an improved  quality of life would need to be demonstrated [14, 104].  

Importantly,  for  future  clinical  applications,  cell  therapy  options  should  become  cost  effective and sustainable for the society as well as health insurances. While cell therapy  probably remains rather a long‐term goal, the use of cardiac cells for drug and toxicity  screenings is clearly more nearby [101].  

In summary, there is a demand for large  amounts of homogenous and  enriched cell  populations for both investigations into clinical applications as well as toxicity and drug  screening assays [3]. Murry et al. calculated one billion cardiomyocytes to be lost during  myocardial infarction and for this reason they propose this amount of cells to be used for  restoring the infarcted area [2]. However, selection and enrichment strategies are still under  investigation and elaboration with variable rate of success. Selection for a specific cell type,  like cardiomyocytes, requires a cardiac exclusive marker/phenotype that could be exploited  for purification.  

For  enrichment  of  cardiac  cells,  there  are  different  strategies  at  hand.  They  will  be  presented here below. Depending on the method used, enrichment/purification techniques  can be applied at different time points of the differentiation process. At early steps of  differentiation one can obtain relatively unspecialized and immature cardiac cells that 

represent  rather  cardiac progenitors. The advantage resides in their ability to further  proliferate  and  the  possibility  of  expansion  in  culture.  The  isolation  of  such  cardiac  progenitor  cells  would  only  represent  one  of  several  footsteps on  the  road  towards  obtaining a pure population of cardiac cells. Careful expansion and subsequent guided  differentiation would be the necessary steps for obtaining pure cardiac cell populations. 

On the other end, the isolation of cardiac cells at “later” time points of differentiation would  result in relatively differentiated cells that could be useful for drug testing since they should  resemble cells closer to the adult heart phenotype [105]. The disadvantage resides in their  limited or null proliferative potential [106], with the associated drawback of a possible  reduced survival potential upon transplantation in vivo [105].  

 

4.1. Non transgenic cardiac enrichment 

One great advantage of non‐transgenic cardiac enrichment strategies over transgenic ones  is  the  circumvention  of  genetic  perturbations  due  to  random  or  directed  transgene  insertion. This is clearly relevant for clinical applications. Such methods have been quite  successful in isolating cardiac progenitor cells thanks to  the identification  of different  cardiac lineage‐specific surface markers. Using antibodies, cardiac cells can be sorted out  after dissociation of differentiating EBs and used for subsequent experiments. Very recent  markers Flk1 and PDGFR [107] and the signal‐regulatory protein alpha (SIRPA) surface  marker (CD172a), have been identified to be specifically expressed on hESC and hiPSC  derived cardiomyocytes [108]. Nevertheless, no consensus exists yet on which would be the  most relevant and promising marker for sorting. 

A less invasive and more subtle strategy for enrichment tries to exploit the molecular  pathways occurring during cardiogenesis. Finding additives that trigger and support cardiac  differentiation can enhance the cardiac cell outcome. The careful screening for molecules,  chemically‐defined supplemented media based on known molecular switches, although  time consuming, enables to avoid the use of antibodies and FACS and the related cell stress  and damage. 

Last but not least, some physical means of enrichment are under development. Rather than  being competitive to other known procedures, physical means are presented as promising  techniques for the future. Both Raman spectroscopy and deterministic lateral displacement  based selection are techniques that constitute at present more proofs of principle rather  than real alternatives for cardiac enrichment.  

Of interest has been the recently published isolation of differentiated cardiomyocytes using  the reversible staining of mitochondria, with a reported cardiac cell purify of 99%. However,  cell dissociation and FACS cannot be avoided.  

Enrichment strategies will be presented more in detail in the following. 

 

 

4.1.1. Isolation of cardiac progenitors 

Defining the transcriptional profile and isolating cardiac progenitor cells with subsequent  expansion and directed differentiation is one promising way of enriching for cardiac cells. In  2006 Wu et al. [109] isolated Nkx‐2.5‐positive cells from mouse differentiating EBs using a 

Nkx‐2.5‐enhancer – GFP reporter construct. 28% of these cells were positive also for the   surface receptor c‐kit. Nkx‐2.5+, c‐kit+ cells allowed for long‐term culture and differentiation  into both beating cardiomyocytes (up to 42%), as well as smooth muscle cells. Authors  strengthened their findings with the isolation of Nkx‐2.5+ c‐kit+ cells also from mouse  embryos [109].  

Alternatively, Moretti et al. proposed a different phenotypic profile to be used for cardiac  progenitor isolation, i.e. a “multipotent Isl1+ cardiovascular progenitor cell (MICP) positive  for Isl1, Nkx‐2.5 and Flk1 [95].  

Hirata et al. used an interesting approach in determining a new cardiac progenitor marker. 

Based on the findings that Flk‐1 is not exclusively expressed on cardiac mesoderm but on  other cell types derived from mesoderm, like hematopoietic [110] or endothelial [111] cells  too, the authors stress the necessity to find another marker that would be more restricted  to the cardiac lineage. Authors used microarray results obtained with the EC line P19CL6  that  was  triggered  into the cardiac  lineage  with  DMSO.  Hirata et  al. related  surface  molecules to corresponding upregulation of cardiac expression and appearance in the ECs. 

The two receptor tyrosine kinases Flk‐1 and PDGFRα were found and validated by flow  cytometry with specific antibodies, mRNA expression as well as in situ hybridization in the  cardiac crescent and linear heart tube of mouse embryos.  

Sorting mESC derived cardiac precursors on day 5 of differentiation resulted in the highest  yield of Flk‐1+/PDGFRαcells with an outcome of ~50%. After 5 more days of culture on  cardiac differentiation supporting OP9 stromal cells, sorted cells showed a 5‐10‐fold higher  incidence  of  beating  colonies  compared  to  Flk‐1/PDGFRα-, Flk‐1+/PDGFRα  and  Flk‐1

 4.1.2. Membrane proteins used for isolation and enrichment 

Sorting live populations of cardiomyocytes so far has mainly been possible after transgenic  modifications of cells to afford expression of fluorescent reporter genes allowing detection  throughout the process of flow cytometry [112]. Targeting and labeling proteins in the  cytosol or nucleus with fluorescent antibodies for subsequent FACS is possible, however  requires permeabilization, fixation and therefore results in death of targeted cells. 

The  first  paper  describing  a  surface  protein  exclusively  expressed  on  hESC  derived  cardiomyocytes was published in 2010 by Van Hoof et al. [102]. The authors selected  mechanically cut cardiomyocytes derived from hESC for their analysis. As controls human  fetal hearts as well as whole populations of differentiated cells derived from hESC were  used. Mass spectrometry (MS) based membrane proteomics were applied in order to find  surface proteins being expressed on hESC derived cardiomyocytes but not on the control  cells. The authors were able to sort live hESC derived cardiomyocytes from a differentiated  EB population by using antibodies against found target membrane protein elastin microfibril  interface 2 (EMILIN2) [102]. The dissociation of EBs was performed without trypsin to  preserve membrane surface proteins. Authors report to sort 10% live cardiomyocytes. Using  fixed  cells,  the  percentage  raised  to  21%,  resembling  the  20‐25%  cardiomyocytes  demonstrated to be expected in beating areas [113]. Obviously, the antibody use on either  live or fixed and dead cells influences the outcome of sorted cardiomyocytes.  

Dubois et al. report the detection of the cardiac specific surface signal‐regulatory protein  alpha (SIRPA) on hESC and hiPSC derived cardiomyocytes [108] but not on mESC derived  cardiac cells. SIRPA allowed for cardiac enrichment after targeting with a specific antibody  and flow cytometric selection. Examination of sorted cells revealed a 98% co‐staining for 

cardiac troponin T staining via flow cytometry. Dubois et al. report that their SIRPA targeting  approach is applicable already as early as on day eight of human ESC differentiation. 

Generally,  detecting  membrane  proteins  in  cardiomyocytes  and  targeting  them  with  fluorescently labeled antibodies prior to FACS represents an elegant solution for isolating  cardiomyocytes from differentiating cultures. If antibodies are bound irreversibly or are  easily washed out after the sorting procedure, still remains to be investigated. The function  of the EMILIN2 and SIPRA protein in the physiological signaling cascade within cardiac cells  needs to be addressed in further experiments in order to predict and validate if bound  antibodies would have an impact on the functionality of isolated cardiomyocytes.  

 

 

4.1.3. Stimulation to cardiac commitment via supplements 

Another nontransgenic method to enrich for cardiac cells is the supplementation of media  with molecules that enhance cardiac differentiation. One of the earliest papers published  within this field is presented by Edwards et al. [114]. 0.5 ‐ 1.25% dimethylsulfoxide (DMSO)  applied for 48h on the embryonal carcinoma (EC) cell line 01A1 from d8‐d10 increased the %  beating during differentiation [114]. 6‐Thioguanine and butyric acid were tested on 01A1  cells and found to lead to an increase in % beating too. The teratocarcinoma cell line 01A1  when cultured in presence of 10‐9 M retinoic acid (RA) showed an increase in cardiac cells  [115]. The presence of RA enhanced the differentiation of mESC into cardiac cells [116]. 

Similarly to the observation made by Edwards, the EC cell line P19 showed an enhanced  cardiac outcome upon stimulation with DMSO [117].  

Concerning the effect of RA on hESC the reported results are contradictory [118, 119]. 

Neither for DMSO did Xu et al. find an enhanced number of cardiac cells derived from hESC  [119]. Xu et al. carefully analyzed the effect of the DNA demethylating agent 5‐aza‐2’‐

deoxycytidine (5‐aza‐dC). They observed that cardiac differentiation could be enhanced for  both hESC lines tested H9 and H1 using the DNA demethylating agent. 10 μM exposure of 5‐

aza‐dC on H9 cells from d6 to d8 led to a 2.5‐fold enrichment in α‐MHC mRNA levels in  comparison to untreated controls. 

Takahashi  et  al.  presented  an  interesting  approach  for  the  detection  of  cardiac  differentiation stimulating agents during differentiating of mESC. The authors screened a  library of over 800 compounds on the mESC line CGR8, stably transduced with an α‐cardiac  myosin heavy chain (MHC) promoter driving expression of the transgene eGFP [120]. Using  a hanging drop free monolayer protocol, the authors differentiated mESC in the presence of  each of the library compounds and evaluated the number of GFP expressing cells. α‐MHC  and  β‐MHC mRNA levels were demonstrated to be ~10x higher upon ascorbic acid (AA)  treatment in comparison to controls. A dose dependent increase of GFP positive cells was  demonstrated using PCR, western blot and realtime PCR [120].  

The lab of Christine Mummery used a different approach to stimulate cardiogenesis in their  culture  of  hESC.  The  hESC  cell  line  HES‐2  was  cocultured  with  the  END‐2  cell  line. 

Furthermore, cells were grown in a medium that contained 20% serum. These conditions  were  shown  to  lead  to  enhanced  cardiogenesis.  Enrichment  was  assessed  by  immunocytochemical staining of α‐actinin and counting of positively stained cells in ratio to  total cell nuclei. In 2005 the same authors reported a 24‐fold enrichment of beating foci in  EBs upon the withdrawal of serum in the culture media. On top, 40% more beating areas 

were observed in the presence of 0.1  μM AA in the culture media. These findings were  reproduced with two more cell lines, HES‐3 and HES‐4. By these means the total number of  cardiomyocytes was enhanced. Nonetheless, the total number of α‐actinin cardiomyocytes  per beating area was not different between cardiomyocyte stimulating and conventional  culture conditions [113].  

Laflamme et al. used hESC derived cardiomyocytes for defining a pro‐survival cocktail that  would enhance cardiac survival after transplantation to infarct induced rat hearts [121]. 

Prior to these experiments they would achieve up to 30% cardiomyocytes by sequential  stimulation with activin A and BMP4 on “high‐density undifferentiated monolayer cultures”. 

Using these cells for Percoll gradient centrifugation, Laflamme and colleagues reported to  routinely obtain between 71% and 95% hESC derived cardiomyocytes. 

The group of Morisaki demonstrated the involvement of a MEK‐ERK signaling pathway in  cardiogenesis and its potential use for triggering of cardiac differentiation. The authors used  the growth factor HRG‐β1 on their previously cloned transgenic Nkx‐2.5 – GFP mESC line  [122] to demonstrate phosphorylation of the extracellular signal regulated kinase (ERK) and  subsequent enhancement of cardiac differentiation. The pro cardiac effect of HRG‐β1 could  be  blocked by using an ErbB receptor or a MAP kinase (MEK) 1 inhibitor. Thus they  concluded that overexpression of MEK1 lead to enhanced cardiac differentiation [122]. 

In 2008 Xu and colleagues were able to define a xeno‐free, procardiac medium supporting  the differentiation of hESC into the cardiac lineage [123]. The findings of the Mummery lab  that END2 coculture was supporting cardiac differentiation of EC cells [123] and of hESC  [124], led Xu et al. to further investigate on END2 cells and their influence on conditioned 

inhibitor of cardiac differentiation in hESC in serum free conditions. Xu and colleagues  demonstrated the END2 and other cells’ capability to clear insulin from media. Because  other cells lines were demonstrated to degrade insulin as well but lacked the cardiac  supporting effect on hESC cells, Xu and colleagues went on analyzing END2 conditioned  media. Using microarray based results the authors found, in contrast to other cell lines with 

complete absence of cardiac potential, the gene coding for prostaglandin I2 (PGI2) to be  significantly  upregulated  in  END2  cells.  The  potential  of  PGI2  to  promote  cardiac  differentiation was demonstrated by the same outcome in cardiomyocytes between END2  conditioned media and PGI2 supplemented media. Due to insulin’s important role in many  viable functions in cells, the authors do not suggest a continuous culture in insulin deficient  conditions.  But  they  point  out  that cardiac  differentiation was  effective  until  d12  of  differentiation in absence of insulin.  

Yang et al. induced hESC with various factors (i.e. activin A, BMP4, basic fibroblast growth  factor (bFGF) vascular endothelial growth factor (VEGF) and dickkopf homolog 1 (DKK1)) 

starting on different days of differentiation in serum free media. A KDRlow/ckit population  was  emerging  within  the  embryoid  bodies  that  would  give  rise  to  more  than  50% 

cardiomyocytes in culture [125].  

Graichen et al. achieved to enhance 2.5 fold the cardiomyocyte output for hESC during  differentiation. They used conditioned media of END2 cells for the hESC culture and exposed  an inhibitor for the p38 Mitogen‐Activated Protein Kinases (MAPK) at a concentration of  10μM [126]. The p38 MAPK inhibitor enhanced mesoderm formation and for this reason  exposure of the drug at the beginning of differentiation was sufficient. 80% of all embryoid  bodies were reported to beat and over 20% cardiomyocyte outcome was demonstrated by 

as early as day 12 of differentiation. In a second paper explaining the molecular background  of MAPK inhibition and cardiac enhancement, Kempf et al. revealed the treatment duration  to start from day 0 to day 1 of differentiation [127]. 

Two years later Gaur et al. obtained similar enrichment results as Graichen et al. concerning  cardiomyocyte  outcome using another  p38MAP  kinase  inhibitor.  Gaur report  doubled  amount of beating of hEBs using the p38MAPK inhibitor SB203580 [128]. hESC were treated  from day 4 to day 6 of differentiation with 10 μM inhibitor. Enrichment was demonstrated  using FACS and qRT‐PCR.  

The Siu lab presented another small molecule for triggering cardiac differentiation on the  mouse ESC line D3 [129]. Ouabain is presented as a cardiotonic steroid that signals via the  ERK1/2 pathway. After careful examination for finding the best timepoints for Ouabain  exposure, differentiating EBs were treated with 20  μmol/l for 7 days. 7 day old EBs were  used for analysis. Besides other findings concerning the signaling pathway, enrichment was  demonstrated as an increase in % beating as well as via FACS after staining for troponin‐T in  comparison to untreated control EBs. The greatest difference in % beating between treated  and control cells was detected 4 days after plating. In the untreated control group around  30% of EBs were beating. The treated group revealed around 50% of EBs to be beating. 

Quantitative RT‐PCR showed α‐MHC levels to be increased around 3.5 fold in treated cells  compared to untreated controls. α‐MHC protein levels were demonstrated to be increased  by western blot too. FACS analysis revealed an increase in cardiac cell number. 

Kattman et  al.  used  another  interesting  approach to  test  a  combination  of  different  supplements in the media for the promotion of cardiac differentiation in several pluripotent 

population was found not exclusively on cardiac mesoderm [131, 132] and indicate that  rather the markers fetal liver kinase 1 (Flk‐1) in combination with the platelet‐derived  growth factor receptor alpha (PDGFRα) are proposed for cardiac mesoderm markers [107]. 

Based on the findings for cardiac induction by Laflamme and Yung [121, 125] who presented  cardiac induction with activin A and BMP‐4 on hESC in serum‐free cultures, Kattman et al. 

used various concentrations of activin A and BMP‐4 for cardiac stimulation on pluripotent  mouse and human cell lines. Concentrations of 5 ng/ml VEGF, 4 ng/ml Activin A and 0.1  ng/ml BMP4 starting from day 2 of differentiation and lasting for 28 hours in serum free 

conditions resulted in the highest outcome of mouse derived Flk‐1+/PDGFRα+ progenitors  with over 60%. After four days of culture of the sorted Flk‐1+/PDGFRα+ populations, the  resulting cells  were analyzed on day 7 of  differentiation via flow‐cytometry  for cTNT  expression. Both the sorted and unsorted fraction revealed over 50% positive staining,  demonstrating the success  of  the  applied  protocol.  hESC  required a slightly  different  treatment with cardiac inducers. Differentiating EBs that were treated on day 5 with 3 ng/ml  Activin A and 10 ng/ml BMP‐4 revealed a population of 63% positive for Isl‐1 and PDGFRα. 

At day 20 both the sorted Flk‐1+/PDGFRαpopulation as well as the unsorted population  revealed more than 70% cardiac cTNT positively stained cardiomyocytes. Similar results  were  obtained  for  induced  mESC  and  induced  hESC.  The  authors  present  improved  protocols for enhanced cardiac differentiation for various cell lines.  The advantage of these  protocols is that sorting or genetic modification of cardiac cells is circumvented. For these  reasons this procedure is interesting for cells that would be used for clinical testing or drug 

At day 20 both the sorted Flk‐1+/PDGFRαpopulation as well as the unsorted population  revealed more than 70% cardiac cTNT positively stained cardiomyocytes. Similar results  were  obtained  for  induced  mESC  and  induced  hESC.  The  authors  present  improved  protocols for enhanced cardiac differentiation for various cell lines.  The advantage of these  protocols is that sorting or genetic modification of cardiac cells is circumvented. For these  reasons this procedure is interesting for cells that would be used for clinical testing or drug