Stem cells within the bone marrow (BM) exist in a quiescent state or are instructed to differentiate and mobilize to circulation following specific signals. Matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), induced in BM cells, releases soluble Kit-ligand (sKitL), permitting the transfer of endothelial and hematopoietic stem cells (HSCs) from the quiescent to proliferative niche. BM ablation induces SDF-1, which upregulates MMP-9 expression, and causes shedding of sKitL and recruitment of c-Kit+ stem/progenitors. In MMP-9−/− mice, release of sKitL and HSC motility are impaired, resulting in failure of hematopoietic recovery and increased mortality, while exogenous sKitL restores hematopoiesis and survival after BM ablation. Release of sKitL by MMP-9 enables BM repopulating cells to translocate to a permissive vascular niche favoring differentiation and reconstitution of the stem/progenitor cell pool.

Tyrosine kinase receptors for angiogenic factors vascular endothelial growth factor (VEGF) and angiopoietin-1 (Ang-1) are expressed not only by endothelial cells but also by subsets of hematopoietic stem cells (HSCs). To further define their role in the regulation of postnatal hematopoiesis and vasculogenesis, VEGF and Ang-1 plasma levels were elevated by injecting recombinant protein or adenoviral vectors expressing soluble VEGF165, matrix-bound VEGF189, or Ang-1 into mice. VEGF165, but not VEGF189, induced a rapid mobilization of HSCs and VEGF receptor (VEGFR)2+ circulating endothelial precursor cells (CEPs). In contrast, Ang-1 induced delayed mobilization of CEPs and HSCs. Combined sustained elevation of Ang-1 and VEGF165 was associated with an induction of hematopoiesis and increased marrow cellularity followed by proliferation of capillaries and expansion of sinusoidal space. Concomitant to this vascular remodeling, there was a transient depletion of hematopoietic activity in the marrow, which was compensated by an increase in mobilization and recruitment of HSCs and CEPs to the spleen resulting in splenomegaly. Neutralizing monoclonal antibody to VEGFR2 completely inhibited VEGF165, but not Ang-1–induced mobilization and splenomegaly. These data suggest that temporal and regional activation of VEGF/VEGFR2 and Ang-1/Tie-2 signaling pathways are critical for mobilization and recruitment of HSCs and CEPs and may play a role in the physiology of postnatal angiogenesis and hematopoiesis.

Therapeutic angiogenesis, a new experimental strategy for the treatment of vascular insufficiency, uses the administration of mediators known to induce vascular development in embryogenesis to induce neovascularization of ischemic adult tissues. This report summarizes a phase I clinical experience with a gene-therapy strategy that used an E1(-)E3(-) adenovirus (Ad) gene-transfer vector expressing human vascular endothelial growth factor (VEGF) 121 cDNA (Ad(GV)VEGF121.10) to induce therapeutic angiogenesis in the myocardium of individuals with clinically significant coronary artery disease.Ad(GV)VEGF121.10 was administered to 21 individuals by direct myocardial injection into an area of reversible ischemia either as an adjunct to conventional coronary artery bypass grafting (group A, n=15) or as sole therapy via a minithoracotomy (group B, n=6). There was no evidence of systemic or cardiac-related adverse events related to vector administration. In both groups, coronary angiography and stress sestamibi scan assessment of wall motion 30 days after therapy suggested improvement in the area of vector administration. All patients reported improvement in angina class after therapy. In group B, in which gene transfer was the only therapy, treadmill exercise assessment suggested improvement in most individuals.The data are consistent with the concept that direct myocardial administration of Ad(GV)VEGF121.10 to individuals with clinically significant coronary artery disease appears to be well tolerated, and initiation of phase II evaluation of this therapy is warranted.

The mechanism by which angiogenic factors recruit bone marrow (BM)-derived quiescent endothelial and hematopoietic stem cells (HSCs) is not known. Here, we report that functional vascular endothelial growth factor receptor-1 (VEGFR1) is expressed on human CD34+ and mouse Lin−Sca-1+c-Kit+ BM-repopulating stem cells, conveying signals for recruitment of HSCs and reconstitution of hematopoiesis. Inhibition of VEGFR1, but not VEGFR2, blocked HSC cell cycling, differentiation and hematopoietic recovery after BM suppression, resulting in the demise of the treated mice. Placental growth factor (PlGF), which signals through VEGFR1, restored early and late phases of hematopoiesis following BM suppression. PlGF enhanced early phases of BM recovery directly through rapid chemotaxis of VEGFR1+ BM-repopulating and progenitor cells. The late phase of hematopoietic recovery was driven by PlGF-induced upregulation of matrix metalloproteinase-9, mediating the release of soluble Kit ligand. Thus, PlGF promotes recruitment of VEGFR1+ HSCs from a quiescent to a proliferative BM microenvironment, favoring differentiation, mobilization and reconstitution of hematopoiesis.

The mechanisms through which hematopoietic cytokines accelerate revascularization are unknown. Here, we show that the magnitude of cytokine-mediated release of SDF-1 from platelets and the recruitment of nonendothelial CXCR4+VEGFR1+ hematopoietic progenitors, 'hemangiocytes,' constitute the major determinant of revascularization. Soluble Kit-ligand (sKitL), thrombopoietin (TPO, encoded by Thpo) and, to a lesser extent, erythropoietin (EPO) and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) induced the release of SDF-1 from platelets, enhancing neovascularization through mobilization of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes. Although revascularization of ischemic hindlimbs was partially diminished in mice deficient in both GM-CSF and G-CSF (Csf2−/−Csf3−/−), profound impairment in neovascularization was detected in sKitL-deficient Mmp9−/− as well as thrombocytopenic Thpo−/− and TPO receptor–deficient (Mpl−/−) mice. SDF-1–mediated mobilization and incorporation of hemangiocytes into ischemic limbs were impaired in Thpo−/−, Mpl−/− and Mmp9−/− mice. Transplantation of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes into Mmp9−/− mice restored revascularization, whereas inhibition of CXCR4 abrogated cytokine- and VEGF-A–mediated mobilization of CXCR4+VEGFR1+ cells and suppressed angiogenesis. In conclusion, hematopoietic cytokines, through graded deployment of SDF-1 from platelets, support mobilization and recruitment of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes, whereas VEGFR1 is essential for their angiogenic competency for augmenting revascularization. Delivery of SDF-1 may be effective in restoring angiogenesis in individuals with vasculopathies.

The chemokine, stromal cell–derived factor-1 (SDF1), is produced in the bone marrow and has been shown to modulate the homing of stem cells to this site by mediating chemokinesis and chemotaxis. Therefore, it was hypothesized that elevation of SDF1 level in the peripheral circulation would result in mobilization of primitive hematopoietic stem and progenitor cells. SDF1 plasma level was increased by intravenous injection of an adenoviral vector expressing SDF1α (AdSDF1) into severe combined immunodeficient mice. This resulted in a 10-fold increase in leukocyte count, a 3-fold increase in platelets, and mobilization of progenitors, including colony-forming units–granulocyte-macrophage to the peripheral circulation. In addition, AdSDF1 induced mobilization of cells with stem cell potential, including colony-forming units in spleen and long-term reconstituting cells. These data demonstrate that overexpression of SDF1 in the peripheral circulation results in the mobilization of hematopoietic cells with repopulating capacity, progenitor cells, and precursor cells. These studies lay the foundation for using SDF1 to induce mobilization of hematopoietic stem and progenitor cells in in vivo studies.

Late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis (LINCL) is an autosomal recessive, neurodegenerative lysosomal storage disease affecting the CNS and is fatal by age 8 to 12 years. A total average dose of 2.5 × 1012 particle units of an adeno-associated virus (AAV) serotype 2 vector expressing the human CLN2 cDNA (AAV2CU hCLN2) was administered to 12 locations in the CNS of 10 children with LINCL. In addition to safety parameters, a neurological rating scale (primary variable) and three quantitative magnetic resonance imaging (MRI) parameters (secondary variables) were used to compare the rate of neurological decline for 18 months in treated subjects compared with untreated subjects. Although there were no unexpected serious adverse events that were unequivocally attributable to the AAV2CU hCLN2 vector, there were serious adverse effects, the etiology of which could not be determined under the conditions of the experiment. One subject died 49 days postsurgery after developing status epilepticus on day 14, but with no evidence of CNS inflammation. Four of the 10 subjects developed a mild, mostly transient, humoral response to the vector. Compared with control subjects, the measured rates of decline of all MRI parameters were slower, albeit the numbers were too small for statistical significance. Importantly, assessment of the neurologic rating scale, which was the primary outcome variable, demonstrated a significantly reduced rate of decline compared with control subjects. Although the trial is not matched, randomized, or blinded and lacked a contemporaneous placebo/sham control group, assessment of the primary outcome variable suggests a slowing of progression of LINCL in the treated children. On this basis, we propose that additional studies to assess the safety and efficacy of AAVmediated gene therapy for LINCL are warranted.