Attempts to repair myocardial infarcts by transplanting cardiomyocytes or skeletal myoblasts have failed to reconstitute healthy myocardium and coronary vessels integrated structurally and functionally with the remaining viable portion of the ventricular wall. The recently discovered growth and transdifferentiation potential of primitive bone marrow cells (BMC) prompted us, in an earlier study, to inject in the border zone of acute infarcts Lin − c- kit POS BMC from syngeneic animals. These BMC differentiated into myocytes and vascular structures, ameliorating the function of the infarcted heart. Two critical determinants seem to be required for the transdifferentiation of primitive BMC: tissue damage and a high level of pluripotent cells. On this basis, we hypothesized here that BMC, mobilized by stem cell factor and granulocyte-colony stimulating factor, would home to the infarcted region, replicate, differentiate, and ultimately promote myocardial repair. We report that, in the presence of an acute myocardial infarct, cytokine-mediated translocation of BMC resulted in a significant degree of tissue regeneration 27 days later. Cytokine-induced cardiac repair decreased mortality by 68%, infarct size by 40%, cavitary dilation by 26%, and diastolic stress by 70%. Ejection fraction progressively increased and hemodynamics significantly improved as a consequence of the formation of 15 × 10 6 new myocytes with arterioles and capillaries connected with the circulation of the unaffected ventricle. In conclusion, mobilization of primitive BMC by cytokines might offer a noninvasive therapeutic strategy for the regeneration of the myocardium lost as a result of ischemic heart disease and, perhaps, other forms of cardiac pathology.

Loss of myocytes is an important mechanism in the development of cardiac failure of either ischemic or nonischemic origin. However, whether programmed cell death (apoptosis) is implicated in the terminal stages of heart failure is not known. We therefore studied the magnitude of myocyte apoptosis in patients with intractable congestive heart failure.Myocardial samples were obtained from the hearts of 36 patients who underwent cardiac transplantation and from the hearts of 3 patients who died soon after myocardial infarction. Samples from 11 normal hearts were used as controls. Apoptosis was evaluated histochemically, biochemically, and by a combination of histochemical analysis and confocal microscopy. The expression of two proto-oncogenes that influence apoptosis, BCL2 and BAX, was also determined.Heart failure was characterized morphologically by a 232-fold increase in myocyte apoptosis and biochemically by DNA laddering (an indicator of apoptosis). The histochemical demonstration of DNA-strand breaks in myocyte nuclei was coupled with the documentation of chromatin condensation and fragmentation by confocal microscopy. All these findings reflect apoptosis of myocytes. The percentage of myocytes labeled with BCL2 (which protects cells against apoptosis) was 1.8 times as high in the hearts of patients with cardiac failure as in the normal hearts, whereas labeling with BAX (which promotes apoptosis) remained constant. The near doubling of the expression of BCL2 in the cardiac tissue of patients with heart failure was confirmed by Western blotting.Programmed death of myocytes occurs in the decompensated human heart in spite of the enhanced expression of BCL2; this phenomenon may contribute to the progression of cardiac dysfunction.

Cases in which a male patient receives a heart from a female donor provide an unusual opportunity to test whether primitive cells translocate from the recipient to the graft and whether cells with the phenotypic characteristics of those of the recipient ultimately reside in the donor heart. The Y chromosome can be used to detect migrated undifferentiated cells expressing stem-cell antigens and to discriminate between primitive cells derived from the recipient and those derived from the donor.

c-kit-positive, lineage-negative cardiac stem cells (CSCs) improve post-infarction left ventricular (LV) dysfunction when administered to animals. We undertook a phase 1 trial (Stem Cell Infusion in Patients with Ischemic cardiOmyopathy [SCIPIO]) of autologous CSCs for the treatment of heart failure resulting from ischaemic heart disease.In stage A of the SCIPIO trial, patients with post-infarction LV dysfunction (ejection fraction [EF] ≤40%) before coronary artery bypass grafting were consecutively enrolled in the treatment and control groups. In stage B, patients were randomly assigned to the treatment or control group in a 2:3 ratio by use of a computer-generated block randomisation scheme. 1 million autologous CSCs were administered by intracoronary infusion at a mean of 113 days (SE 4) after surgery; controls were not given any treatment. Although the study was open label, the echocardiographic analyses were masked to group assignment. The primary endpoint was short-term safety of CSCs and the secondary endpoint was efficacy. A per-protocol analysis was used. This study is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00474461.This study is still in progress. 16 patients were assigned to the treatment group and seven to the control group; no CSC-related adverse effects were reported. In 14 CSC-treated patients who were analysed, LVEF increased from 30·3% (SE 1·9) before CSC infusion to 38·5% (2·8) at 4 months after infusion (p=0·001). By contrast, in seven control patients, during the corresponding time interval, LVEF did not change (30·1% [2·4] at 4 months after CABG vs 30·2% [2·5] at 8 months after CABG). Importantly, the salubrious effects of CSCs were even more pronounced at 1 year in eight patients (eg, LVEF increased by 12·3 ejection fraction units [2·1] vs baseline, p=0·0007). In the seven treated patients in whom cardiac MRI could be done, infarct size decreased from 32·6 g (6·3) by 7·8 g (1·7; 24%) at 4 months (p=0·004) and 9·8 g (3·5; 30%) at 1 year (p=0·04).These initial results in patients are very encouraging. They suggest that intracoronary infusion of autologous CSCs is effective in improving LV systolic function and reducing infarct size in patients with heart failure after myocardial infarction, and warrant further, larger, phase 2 studies.University of Louisville Research Foundation and National Institutes of Health.

The identification of cardiac progenitor cells in mammals raises the possibility that the human heart contains a population of stem cells capable of generating cardiomyocytes and coronary vessels. The characterization of human cardiac stem cells (hCSCs) would have important clinical implications for the management of the failing heart. We have established the conditions for the isolation and expansion of c- kit -positive hCSCs from small samples of myocardium. Additionally, we have tested whether these cells have the ability to form functionally competent human myocardium after infarction in immunocompromised animals. Here, we report the identification in vitro of a class of human c- kit -positive cardiac cells that possess the fundamental properties of stem cells: they are self-renewing, clonogenic, and multipotent. hCSCs differentiate predominantly into cardiomyocytes and, to a lesser extent, into smooth muscle cells and endothelial cells. When locally injected in the infarcted myocardium of immunodeficient mice and immunosuppressed rats, hCSCs generate a chimeric heart, which contains human myocardium composed of myocytes, coronary resistance arterioles, and capillaries. The human myocardium is structurally and functionally integrated with the rodent myocardium and contributes to the performance of the infarcted heart. Differentiated human cardiac cells possess only one set of human sex chromosomes excluding cell fusion. The lack of cell fusion was confirmed by the Cre- lox strategy. Thus, hCSCs can be isolated and expanded in vitro for subsequent autologous regeneration of dead myocardium in patients affected by heart failure of ischemic and nonischemic origin.

Abstract —The renin-angiotensin system is upregulated with diabetes, and this may contribute to the development of a dilated myopathy. Angiotensin II (Ang II) locally may lead to oxidative damage, activating cardiac cell death. Moreover, diabetes and hypertension could synergistically impair myocardial structure and function. Therefore, apoptosis and necrosis were measured in ventricular myocardial biopsies obtained from diabetic and diabetic-hypertensive patients. Accumulation of a marker of oxidative stress, nitrotyrosine, and Ang II labeling were evaluated quantitatively. The diabetic heart showed cardiac hypertrophy, cavitary dilation, and depressed ventricular performance. These alterations were more severe with diabetes and hypertension. Diabetes was characterized by an 85-fold, 61-fold, and 26-fold increase in apoptosis of myocytes, endothelial cells, and fibroblasts, respectively. Apoptosis in cardiac cells did not increase additionally with diabetes and hypertension. Diabetes increased necrosis by 4-fold in myocytes, 9-fold in endothelial cells, and 6-fold in fibroblasts. However, diabetes and hypertension increased necrosis by 7-fold in myocytes and 18-fold in endothelial cells. Similarly, Ang II labeling in myocytes and endothelial cells increased more with diabetes and hypertension than with diabetes alone. Nitrotyrosine localization in cardiac cells followed a comparable pattern. In spite of the difference in the number of nitrotyrosine-positive cells with diabetes and with diabetes and hypertension, apoptosis and necrosis of myocytes, endothelial cells, and fibroblasts were detected only in cells containing this modified amino acid. In conclusion, local increases in Ang II with diabetes and with diabetes and hypertension may enhance oxidative damage, activating cardiac cell apoptosis and necrosis.

To determine the effects of loading on active and passive tensions, programmed cell death, superoxide anion formation, the expression of Fas on myocytes, and side-to-side slippage of myocytes, papillary muscles were exposed to 7-8 and 50 mN/mm2 and these parameters were measured over a 3-h period. Overstretching produced a 21- and a 2.4-fold increase in apoptotic myocyte and nonmyocyte cell death, respectively. Concurrently, the generation of reactive oxygen species increased 2.4-fold and the number of myocytes labeled by Fas protein 21-fold. Moreover, a 15% decrease in the number of myocytes included in the thickness of the papillary muscle was found in combination with a 7% decrease in sarcomere length and the inability of muscles to maintain stable levels of passive and active tensions. The addition of the NO-releasing drug, C87-3754, prevented superoxide anion formation, programmed cell death, and the alterations in active and passive tensions with time of overloaded papillary muscles. In conclusion, overstretching appears to be coupled with oxidant stress, expression of Fas, programmed cell death, architectural rearrangement of myocytes, and impairment in force development of the myocardium.

In this study, we tested whether the human heart possesses a cardiac stem cell (CSC) pool that promotes regeneration after infarction. For this purpose, CSC growth and senescence were measured in 20 hearts with acute infarcts, 20 hearts with end-stage postinfarction cardiomyopathy, and 12 control hearts. CSC number increased markedly in acute and, to a lesser extent, in chronic infarcts. CSC growth correlated with the increase in telomerase-competent dividing CSCs from 1.5% in controls to 28% in acute infarcts and 14% in chronic infarcts. The CSC mitotic index increased 29-fold in acute and 14-fold in chronic infarcts. CSCs committed to the myocyte, smooth muscle, and endothelial cell lineages increased ≈85-fold in acute infarcts and ≈25-fold in chronic infarcts. However, p16 INK4a -p53-positive senescent CSCs also increased and were 10%, 18%, and 40% in controls, acute infarcts, and chronic infarcts, respectively. Old CSCs had short telomeres and apoptosis involved 0.3%, 3.8%, and 9.6% of CSCs in controls, acute infarcts, and chronic infarcts, respectively. These variables reduced the number of functionally competent CSCs from ≈26,000/cm 3 of viable myocardium in acute to ≈7,000/cm 3 in chronic infarcts, respectively. In seven acute infarcts, foci of spontaneous myocardial regeneration that did not involve cell fusion were identified. In conclusion, the human heart possesses a CSC compartment, and CSC activation occurs in response to ischemic injury. The loss of functionally competent CSCs in chronic ischemic cardiomyopathy may underlie the progressive functional deterioration and the onset of terminal failure.