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.

To determine whether cellular aging leads to a cardiomyopathy and heart failure, markers of cellular senescence, cell death, telomerase activity, telomere integrity, and cell regeneration were measured in myocytes of aging wild-type mice (WT). These parameters were similarly studied in insulin-like growth factor-1 (IGF-1) transgenic mice (TG) because IGF-1 promotes cell growth and survival and may delay cellular aging. Importantly, the consequences of aging on cardiac stem cell (CSC) growth and senescence were evaluated. Gene products implicated in growth arrest and senescence, such as p27Kip1, p53, p16INK4a, and p19ARF, were detected in myocytes of young WT mice, and their expression increased with age. IGF-1 attenuated the levels of these proteins at all ages. Telomerase activity decreased in aging WT myocytes but increased in TG, paralleling the changes in Akt phosphorylation. Reduction in nuclear phospho-Akt and telomerase resulted in telomere shortening and uncapping in WT myocytes. Senescence and death of CSCs increased with age in WT impairing the growth and turnover of cells in the heart. DNA damage and myocyte death exceeded cell formation in old WT, leading to a decreased number of myocytes and heart failure. This did not occur in TG in which CSC-mediated myocyte regeneration compensated for the extent of cell death preventing ventricular dysfunction. IGF-1 enhanced nuclear phospho-Akt and telomerase delaying cellular aging and death. The differential response of TG mice to chronological age may result from preservation of functional CSCs undergoing myocyte commitment. In conclusion, senescence of CSCs and myocytes conditions the development of an aging myopathy.

Cardiac stem cells and early committed cells (CSCs-ECCs) express c-Met and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) receptors and synthesize and secrete the corresponding ligands, hepatocyte growth factor (HGF) and IGF-1. HGF mobilizes CSCs-ECCs and IGF-1 promotes their survival and proliferation. Therefore, HGF and IGF-1 were injected in the hearts of infarcted mice to favor, respectively, the translocation of CSCs-ECCs from the surrounding myocardium to the dead tissue and the viability and growth of these cells within the damaged area. To facilitate migration and homing of CSCs-ECCs to the infarct, a growth factor gradient was introduced between the site of storage of primitive cells in the atria and the region bordering the infarct. The newly-formed myocardium contained arterioles, capillaries, and functionally competent myocytes that with time increased in size, improving ventricular performance at healing and long thereafter. The volume of regenerated myocytes was 2200 microm3 at 16 days after treatment and reached 5100 microm3 at 4 months. In this interval, nearly 20% of myocytes reached the adult phenotype, varying in size from 10,000 to 20,000 microm3. Moreover, there were 43+/-13 arterioles and 155+/-48 capillaries/mm2 myocardium at 16 days, and 31+/-6 arterioles and 390+/-56 capillaries at 4 months. Myocardial regeneration induced increased survival and rescued animals with infarcts that were up to 86% of the ventricle, which are commonly fatal. In conclusion, the heart has an endogenous reserve of CSCs-ECCs that can be activated to reconstitute dead myocardium and recover cardiac function.

The ability of cardiac stem cells (CSCs) to promote myocardial repair under clinically relevant conditions (i.e., when delivered intravascularly after reperfusion) is unknown. Thus, rats were subjected to a 90-min coronary occlusion; at 4 h after reperfusion, CSCs were delivered to the coronary arteries via a catheter positioned into the aortic root. Echocardiographic analysis showed that injection of CSCs attenuated the increase in left ventricular (LV) end-diastolic dimensions and impairment in LV systolic performance at 5 weeks after myocardial infarction. Pathologic analysis showed that treated hearts exhibited a smaller increase in LV chamber diameter and volume and a higher wall thickness-to-chamber radius ratio and LV mass-to-chamber volume ratio. CSCs induced myocardial regeneration, decreasing infarct size by 29%. A diploid DNA content and only two chromosomes 12 were found in new cardiomyocytes, indicating that cell fusion did not contribute to tissue reconstitution. In conclusion, intravascular injection of CSCs after reperfusion limits infarct size, attenuates LV remodeling, and ameliorates LV function. This study demonstrates that CSCs are effective when delivered in a clinically relevant manner, a clear prerequisite for clinical translation, and that these beneficial effects are independent of cell fusion. The results establish CSCs as candidates for cardiac regeneration and support an approach in which the heart's own stem cells could be collected, expanded, and stored for subsequent therapeutic repair.

Recent studies in mice have challenged the ability of bone marrow cells (BMCs) to differentiate into myocytes and coronary vessels. The claim has also been made that BMCs acquire a cell phenotype different from the blood lineages only by fusing with resident cells. Technical problems exist in the induction of myocardial infarction and the successful injection of BMCs in the mouse heart. Similarly, the accurate analysis of the cell populations implicated in the regeneration of the dead tissue is complex and these factors together may account for the negative findings. In this study, we have implemented a simple protocol that can easily be reproduced and have reevaluated whether injection of BMCs restores the infarcted myocardium in mice and whether cell fusion is involved in tissue reconstitution. For this purpose, c-kit–positive BMCs were obtained from male transgenic mice expressing enhanced green fluorescence protein (EGFP). EGFP and the Y-chromosome were used as markers of the progeny of the transplanted cells in the recipient heart. By this approach, we have demonstrated that BMCs, when properly administrated in the infarcted heart, efficiently differentiate into myocytes and coronary vessels with no detectable differentiation into hemopoietic lineages. However, BMCs have no apparent paracrine effect on the growth behavior of the surviving myocardium. Within the infarct, in 10 days, nearly 4.5 million biochemically and morphologically differentiated myocytes together with coronary arterioles and capillary structures were generated independently of cell fusion. In conclusion, BMCs adopt the cardiac cell lineages and have an important therapeutic impact on ischemic heart failure.

Cardiac stem cells (CSCs) have been identified in the adult heart, but the microenvironment that protects the slow-cycling, undifferentiated, and self-renewing CSCs remains to be determined. We report that the myocardium possesses interstitial structures with the architectural organization of stem cell niches that harbor long-term BrdU-retaining cells. The recognition of long-term label-retaining cells provides functional evidence of resident CSCs in the myocardium, indicating that the heart is an organ regulated by a stem cell compartment. Cardiac niches contain CSCs and lineage-committed cells, which are connected to supporting cells represented by myocytes and fibroblasts. Connexins and cadherins form gap and adherens junctions at the interface of CSCs–lineage-committed cells and supporting cells. The undifferentiated state of CSCs is coupled with the expression of α 4 -integrin, which colocalizes with the α 2 -chain of laminin and fibronectin. CSCs divide symmetrically and asymmetrically, but asymmetric division predominates, and the replicating CSC gives rise to one daughter CSC and one daughter committed cell. By this mechanism of growth kinetics, the pool of primitive CSCs is preserved, and a myocyte progeny is generated together with endothelial and smooth muscle cells. Thus, CSCs regulate myocyte turnover that is heterogeneous across the heart, faster at the apex and atria, and slower at the base–midregion of the ventricle.

Although progenitor cells have been described in distinct anatomical regions of the lung, description of resident stem cells has remained elusive.

Diabetes leads to a decompensated myopathy, but the etiology of the cardiac disease is poorly understood. Oxidative stress is enhanced with diabetes and oxygen toxicity may alter cardiac progenitor cell (CPC) function resulting in defects in CPC growth and myocyte formation, which may favor premature myocardial aging and heart failure. We report that in a model of insulin-dependent diabetes mellitus, the generation of reactive oxygen species (ROS) leads to telomeric shortening, expression of the senescent associated proteins p53 and p16INK4a, and apoptosis of CPCs, impairing the growth reserve of the heart. However, ablation of the p66shc gene prevents these negative adaptations of the CPC compartment, interfering with the acquisition of the heart senescent phenotype and the development of heart failure with diabetes. ROS elicit 3 cellular reactions: low levels activate cell growth, intermediate quantities trigger cell apoptosis, and high amounts initiate cell necrosis. CPC replication predominates in diabetic p66shc-/-, whereas CPC apoptosis and myocyte apoptosis and necrosis prevail in diabetic wild type. Expansion of CPCs and developing myocytes preserves cardiac function in diabetic p66shc-/-, suggesting that intact CPCs can effectively counteract the impact of uncontrolled diabetes on the heart. The recognition that p66shc conditions the destiny of CPCs raises the possibility that diabetic cardiomyopathy is a stem cell disease in which abnormalities in CPCs define the life and death of the heart. Together, these data point to a genetic link between diabetes and ROS, on the one hand, and CPC survival and growth, on the other.

RETRACTION This article has been retracted: Circ Res . 2018;123:e00. DOI: 10.1161/RES.0000000000000246