Recent studies have suggested that bone marrow cells might possess a much broader differentiation potential than previously appreciated. In most cases, the reported efficiency of such plasticity has been rather low and, at least in some instances, is a consequence of cell fusion. After myocardial infarction, however, bone marrow cells have been suggested to extensively regenerate cardiomyocytes through transdifferentiation. Although bone marrow–derived cells are already being used in clinical trials, the exact identity, longevity and fate of these cells in infarcted myocardium have yet to be investigated in detail. Here we use various approaches to induce acute myocardial injury and deliver transgenically marked bone marrow cells to the injured myocardium. We show that unfractionated bone marrow cells and a purified population of hematopoietic stem and progenitor cells efficiently engraft within the infarcted myocardium. Engraftment was transient, however, and hematopoietic in nature. In contrast, bone marrow–derived cardiomyocytes were observed outside the infarcted myocardium at a low frequency and were derived exclusively through cell fusion.

Abstract Cellular replacement therapy has emerged as a novel strategy for the treatment of heart failure. The aim of our study was to determine the fate of injected mesenchymal stem cells (MSCs) and whole bone marrow (BM) cells in the infarcted heart. MSCs were purified from BM of transgenic mice and characterized using flow cytometry and in vitro differentiation assays. Myocardial infarctions were generated in mice and different cell populations including transgenic MSCs, unfractionated BM cells, or purified hematopoietic progenitors were injected. Encapsulated structures were found in the infarcted areas of a large fraction of hearts after injecting MSCs (22 of 43, 51.2%) and unfractionated BM cells (6 of 46, 13.0%). These formations contained calcifications and/or ossifications. In contrast, no pathological abnormalities were found after injection of purified hematopoietic progenitors (0 of 5, 0.0%), fibroblasts (0 of 5, 0.0%), vehicle only (0 of 30, 0.0%), or cytokine-induced mobilization of BM cells (0 of 35, 0.0%). We conclude that the developmental fate of BM-derived cells is not restricted by the surrounding tissue after myocardial infarction and that the MSC fraction underlies the extended bone formation in the infarcted myocardium. These findings seriously question the biologic basis and clinical safety of using whole BM and in particular MSCs to treat nonhematopoietic disorders.

Cellular cardiomyoplasty is an attractive option for the treatment of severe heart failure. It is, however, still unclear and controversial which is the most promising cell source. Therefore, we investigated and examined the fate and functional impact of bone marrow (BM) cells and embryonic stem cell (ES cell)–derived cardiomyocytes after transplantation into the infarcted mouse heart. This proved particularly challenging for the ES cells, as their enrichment into cardiomyocytes and their long-term engraftment and tumorigenicity are still poorly understood. We generated transgenic ES cells expressing puromycin resistance and enhanced green fluorescent protein cassettes under control of a cardiac-specific promoter. Puromycin selection resulted in a highly purified (>99%) cardiomyocyte population, and the yield of cardiomyocytes increased 6–10-fold because of induction of proliferation on purification. Long-term engraftment (4–5 months) was observed when co-transplanting selected ES cell–derived cardiomyocytes and fibroblasts into the injured heart of syngeneic mice, and no teratoma formation was found (n = 60). Although transplantation of ES cell–derived cardiomyocytes improved heart function, BM cells had no positive effects. Furthermore, no contribution of BM cells to cardiac, endothelial, or smooth muscle neogenesis was detected. Hence, our results demonstrate that ES-based cell therapy is a promising approach for the treatment of impaired myocardial function and provides better results than BM-derived cells.

1 Abstract The cardiac scar is a collagen-rich area, which is populated by myofibroblasts and has proven little amenable for therapeutic interventions. Herein, we have established an efficient targeting strategy for cardiac lesions by genetically manipulating embryonic cardiac myofibroblasts (mFB) in vitro , load the cells with magnetic nanoparticles and inject these into infarcted mouse hearts using magnetic steering. This yields strongly increased numbers (∼4 fold compared to other cell types) of engrafted mFB. The injected mFB and endogenous myofibroblast (endoFB) population remain separate in the scar, but grafted mFB enhance the proliferation rate of endoFB by ∼4 fold. We also tested the functional impact of this approach by grafting lentiviral (LV)-transduced Connexin43 (Cx43) overexpressing mFB into the cardiac lesion. Prominent engraftment of Cx43 + mFB provides strong protection against post-infarct ventricular tachycardia (VT) in vivo , as VT incidence is reduced by ∼50 % at two and eight weeks after cell injection. Thus, ex vivo gene and subsequent in vivo cell therapy combined with magnetic steering of cardiac mFB enable efficient functional targeting of the cardiac scar.