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.

In vivo monitoring of stem cells after grafting is essential for a better understanding of their migrational dynamics and differentiation processes and of their regeneration potential. Migration of endogenous or grafted stem cells and neurons has been described in vertebrate brain, both under normal conditions from the subventricular zone along the rostral migratory stream and under pathophysiological conditions, such as degeneration or focal cerebral ischemia. Those studies, however, relied on invasive analysis of brain sections in combination with appropriate staining techniques. Here, we demonstrate the observation of cell migration under in vivo conditions, allowing the monitoring of the cell dynamics within individual animals, and for a prolonged time. Embryonic stem (ES) cells, constitutively expressing the GFP, were labeled by a lipofection procedure with a MRI contrast agent and implanted into rat brains. Focal cerebral ischemia had been induced 2 weeks before implantation of ES cells into the healthy, contralateral hemisphere. MRI at 78-μm isotropic spatial resolution permitted the observation of the implanted cells with high contrast against the host tissue, and was confirmed by GFP registration. During 3 weeks, cells migrated along the corpus callosum to the ventricular walls, and massively populated the borderzone of the damaged brain tissue on the hemisphere opposite to the implantation sites. Our results indicate that ES cells have high migrational dynamics, targeted to the cerebral lesion area. The imaging approach is ideally suited for the noninvasive observation of cell migration, engraftment, and morphological differentiation at high spatial and temporal resolution.

Guanosine-3',5'-cyclic monophosphate (cGMP)-dependent protein kinase (cGMP-PK) plays a central role in the mediation of the vasodilator response to nitric oxide (NO) and other nitrovasodilators. It is unclear whether cGMP-PK affects calcium-activated potassium channels (KCa channels) or any other type of ion channel in smooth muscle. We provide here the first direct evidence that cGMP-PK can activate KCa channels in arterial smooth muscle cells. We demonstrate that NO and a membrane-permeable analogue of cGMP can activate KCa channels in on-cell patches approximately twofold. Furthermore, cGMP-PK, in the presence of ATP and cGMP added directly to the intracellular surface of inside-out patches, increases channel activity by approximately eightfold. These results suggest that cGMP-PK-mediated activation of KCa channels may contribute to the actions of NO and other nitrovasodilators.

Morphological, electrophysiological, and biochemical properties of H9c2 cells, a permanent cell line derived from rat cardiac tissue, were studied. Although the lectin binding pattern revealed similar sugar residues in the surface coat of H9c2 cells and isolated rat cardiocytes, heart-specific morphological structures could not be detected in H9c2 cells. Under physiological ionic conditions, H9c2 cells exhibited an outwardly rectifying, transient K+ current. When this current component was blocked by Ba2+ and Cs+, we observed an inward current through Ca2+ channels (15.8 +/- 2.2 pA/pF, n = 18, measured as Ba2+ current) that showed all characteristics of cardiac L-type currents. The activation kinetics were fast, and the current was stimulated by isoproterenol. The effect of isoproterenol was mimicked by forskolin or intracellularly applied cAMP. In radioligand binding experiments, we identified a specific, saturable, stereoselective and reversible high-affinity [3H]-(+)PN 200-110 binding with a dissociation constant Kd = 0.53 +/- 0.28 nM and a maximal specific binding of Bmax = 129.3 +/- 16.1 fmol/mg protein. There was an additional low-affinity/high-capacity binding site, which is unlikely to be related to a Ca2+ channel protein. Signal-transducing G proteins in membranes were characterized by [32P]ADP-ribosylation catalyzed by bacterial toxins and by the use of various antibodies. Cholera toxin substrates of 42 and 45 kd were identified that apparently correlated to Gs alpha-subunits. Pertussis toxin substrates of 40-41 kd were tentatively identified as Gi alpha-subunits. The G protein Go was absent or at least extremely low in concentration.

Pluripotent embryonic stem cells (ESC, ES cells) of line D3 were differentiated in vitro via embryo-like aggregates (embryoid bodies) of defined cell number into spontaneously beating cardiomyocytes. By using RT-PCR technique, α- and β-cardiac myosin heavy chain (MHC) genes were found to be expressed in embryoid bodies of early to terminal differentiation stages. The exclusive expression of the β-cardiac MHC gene detected in very early differentiated embryoid bodies proved to be dependent on the number of ES cells developing in the embryoid body. Cardiomyocytes enzymatically isolated from embryoid body outgrowths at different stages of development were further characterized by immunocytological and electrophysiological techniques. All cardiomyocytes appeared to be positive in immunofluorescence assays with monoclonal antibodies against cardiac-specific α-cardiac MHC, as well as muscle-specific sarcomeric myosin heavy chain and desmin. The patch-clamp technique allowed a more detailed characterization of the in vitro differentiated cardiomyocytes which were found to represent phenotypes corresponding to sinusnode, atrium or ventricle of the heart. The cardiac cells of early differentiated stage expressed pacemaker-like action potentials similar to those described for embryonic cardiomyocytes. The action potentials of terminally differentiated cells revealed shapes, pharmacological characteristics and hormonal regulation inherent to adult sinusnodal, atrial or ventricular cells. In cardiomyocytes of intermediate differentiation state, action potentials of very long duration (0.3–1 s) were found, which may represent developmentally controlled transitions between different types of action potentials. Therefore, the presented ES cell differentiation system permits the investigation of commitment and differentiation of embryonic cells into the cardiomyogenic lineage in vitro.

Abstract

 Pluripotent embryonic stem (ES) cells spontaneously differentiate via embryo-like aggregates into cardiomyocytes of pacemaker-, atrium- and ventricle-like type, which can be distinguished by their specific patterns of action potentials. It has been shown that retinoic acid (RA) treatment during ES cell differentiation increases the number of cardiomyocytes in a time- and concentration-dependent manner. In order to test the effect of RA on cardiomyocyte differentiation and specialization into ventricle-like cardiomyocytes, we studied gene expression of β-galactosidase driven by the ventricular myosin light chain-2 (MLC-2v) promoter as an indicator for ventricular differentiation. Clones containing the stably integrated expression vector pGNA/MLC-2.1 were selected, which revealed an increase of β-galactosidase activity in cardiomyocytes of embryoid bodies at day 7+16. RA, both, in the all-transand in the 9-cisconfiguration resulted in a significant acceleration of cardiomyocyte differentiation and a transient increase of β-galactosidase activity. To test whether this acceleration of cardiac differentiation and RA-induced increase of the MLC-2v promotor/β-galactosidase activity reflects an increase of cardiac- and ventricle-specific gene expression, a semi-quantitative RT–PCR analysis was performed for α-cardiac myosin heavy chain (α-MHC) and MLC-2v genes. It was shown that both 10⁻⁸mand 10⁻⁹mRA resulted in an increased level of α-cardiac MHC and MLC-2v mRNA in embryoid bodies in early, but not in terminal developmental stages. This led us to the conclusion that the RA-induced accelerated expression of cardiac-specific genes results in an enhanced development of ventricular cardiomyocytes. An increased number of ventricle-like cells after RA treatment was also found by patch-clamp analysis. The number of cardiomyocytes with Purkinje- and ventricle-like properties was shown to be increased by RA, whereas the number of pacemaker- and atrium-like cells was reduced and early pacemaker cells were not quantitatively affected.