Abstract —Recent studies provide increasing evidence that postnatal neovascularization involves bone marrow–derived circulating endothelial progenitor cells (EPCs). The regulation of EPCs in patients with coronary artery disease (CAD) is unclear at present. Therefore, we determined the number and functional activity of EPCs in 45 patients with CAD and 15 healthy volunteers. The numbers of isolated EPCs and circulating CD34/kinase insert domain receptor (KDR)-positive precursor cells were significantly reduced in patients with CAD by ≈40% and 48%, respectively. To determine the influence of atherosclerotic risk factors, a risk factor score including age, sex, hypertension, diabetes, smoking, positive family history of CAD, and LDL cholesterol levels was used. The number of risk factors was significantly correlated with a reduction of EPC levels ( R =−0.394, P =0.002) and CD34-/KDR-positive cells ( R =−0.537, P <0.001). Analysis of the individual risk factors demonstrated that smokers had significantly reduced levels of EPCs ( P <0.001) and CD34-/KDR-positive cells ( P =0.003). Moreover, a positive family history of CAD was associated with reduced CD34-/KDR-positive cells ( P =0.011). Most importantly, EPCs isolated from patients with CAD also revealed an impaired migratory response, which was inversely correlated with the number of risk factors ( R =−0.484, P =0.002). By multivariate analysis, hypertension was identified as a major independent predictor for impaired EPC migration ( P =0.043). The present study demonstrates that patients with CAD revealed reduced levels and functional impairment of EPCs, which correlated with risk factors for CAD. Given the important role of EPCs for neovascularization of ischemic tissue, the decrease of EPC numbers and activity may contribute to impaired vascularization in patients with CAD. The full text of this article is available at http://www.circresaha.org.

Background— Experimental studies suggest that transplantation of blood-derived or bone marrow–derived progenitor cells beneficially affects postinfarction remodeling. The safety and feasibility of autologous progenitor cell transplantation in patients with ischemic heart disease is unknown. Methods and Results— We randomly allocated 20 patients with reperfused acute myocardial infarction (AMI) to receive intracoronary infusion of either bone marrow–derived (n=9) or circulating blood–derived progenitor cells (n=11) into the infarct artery 4.3±1.5 days after AMI. Transplantation of progenitor cells was associated with a significant increase in global left ventricular ejection fraction from 51.6±9.6% to 60.1±8.6% ( P =0.003), improved regional wall motion in the infarct zone (−1.5±0.2 to −0.5±0.7 SD/chord; P <0.001), and profoundly reduced end-systolic left ventricular volumes (56.1±20 mL to 42.2±15.1 mL; P =0.01) at 4-month follow-up. In contrast, in a nonrandomized matched reference group, left ventricular ejection fraction only slightly increased from 51±10% to 53.5±7.9%, and end-systolic volumes remained unchanged. Echocardiography revealed a profound enhancement of regional contractile function (wall motion score index 1.4±0.2 at baseline versus 1.19±0.2 at follow-up; P <0.001). At 4 months, coronary blood flow reserve was significantly ( P <0.001) increased in the infarct artery. Quantitative F-18-fluorodeoxyglucose–positron emission tomography analysis revealed a significant ( P <0.01) increase in myocardial viability in the infarct zone. There were no differences for any measured parameter between blood-derived or bone marrow–derived progenitor cells. No signs of an inflammatory response or malignant arrhythmias were observed. Conclusions— In patients with AMI, intracoronary infusion of autologous progenitor cells appears to be feasible and safe and may beneficially affect postinfarction remodeling processes.

HMG-CoA reductase inhibitors (statins) have been developed as lipid-lowering drugs and are well established to reduce morbidity and mortality from coronary artery disease. Here we demonstrate that statins potently augment endothelial progenitor cell differentiation in mononuclear cells and CD34-positive hematopoietic stem cells isolated from peripheral blood. Moreover, treatment of mice with statins increased c-kit+/Sca-1+–positive hematopoietic stem cells in the bone marrow and further elevated the number of differentiated endothelial progenitor cells (EPCs). Statins induce EPC differentiation via the PI 3-kinase/Akt (PI3K/Akt) pathway as demonstrated by the inhibitory effect of pharmacological PI3K blockers or overexpression of a dominant negative Akt construct. Similarly, the potent angiogenic growth factor VEGF requires Akt to augment EPC numbers, suggesting an essential role for Akt in regulating hematopoietic progenitor cell differentiation. Given that statins are at least as potent as VEGF in increasing EPC differentiation, augmentation of circulating EPC might importantly contribute to the well-established beneficial effects of statins in patients with coronary artery disease.

Therapeutic neovascularization may constitute an important strategy to salvage tissue from critical ischemia. Circulating bone marrow-derived endothelial progenitor cells (EPCs) were shown to augment the neovascularization of ischemic tissue. In addition to lipid-lowering activity, hydroxymethyl glutaryl coenzyme A reductase inhibitors (statins) reportedly promote the neovascularization of ischemic tissue in normocholesterolemic animals. Methods and Results-Fifteen patients with angiographically documented stable coronary artery disease (CAD) were prospectively treated with 40 mg of atorvastatin per day for 4 weeks. Before and weekly after the initiation of statin therapy, EPCs were isolated from peripheral blood and counted. In addition, the number of hematopoietic precursor cells positive for CD34, CD133, and CD34/kinase insert domain receptor was analyzed. Statin treatment of patients with stable CAD was associated with an approximately 1.5-fold increase in the number of circulating EPCs by 1 week after initiation of treatment; this was followed by sustained increased levels to approximately 3-fold throughout the 4-week study period. Moreover, the number of CD34/kinase insert domain receptor-positive hematopoietic progenitor cells was significantly augmented after 4 weeks of therapy. Atorvastatin treatment increased the further functional activity of EPCs, as assessed by their migratory capacity.The results of the present study define a novel mechanism of action of statin treatment in patients with stable CAD: the augmentation of circulating EPCs with enhanced functional activity. Given the well-established role of EPCs of participating in repair after ischemic injury, stimulation of EPCs by statins may contribute to the clinical benefit of statin therapy in patients with CAD.

HMG-CoA reductase inhibitors (statins) have been developed as lipid-lowering drugs and are well established to reduce morbidity and mortality from coronary artery disease. Here we demonstrate that statins potently augment endothelial progenitor cell differentiation in mononuclear cells and CD34-positive hematopoietic stem cells isolated from peripheral blood. Moreover, treatment of mice with statins increased c-kit+/Sca-1+–positive hematopoietic stem cells in the bone marrow and further elevated the number of differentiated endothelial progenitor cells (EPCs). Statins induce EPC differentiation via the PI 3-kinase/Akt (PI3K/Akt) pathway as demonstrated by the inhibitory effect of pharmacological PI3K blockers or overexpression of a dominant negative Akt construct. Similarly, the potent angiogenic growth factor VEGF requires Akt to augment EPC numbers, suggesting an essential role for Akt in regulating hematopoietic progenitor cell differentiation. Given that statins are at least as potent as VEGF in increasing EPC differentiation, augmentation of circulating EPC might importantly contribute to the well-established beneficial effects of statins in patients with coronary artery disease.

Abstract Increasing evidence suggests that postnatal neovascularization involves the recruitment of circulating endothelial progenitor cells (EPCs). Hematopoietic and endothelial cell lineages share common progenitors. Cytokines formerly thought to be specific for the hematopoietic system have only recently been shown to affect several functions in endothelial cells. Accordingly, we investigated the stimulatory potential of erythropoietin (Epo) on EPC mobilization and neovascularization. The bone marrow of Epo-treated mice showed a significant increase in number and proliferation of stem and progenitor cells as well as in colony-forming units. The number of isolated EPCs and CD34+/flk-1+ precursor cells was significantly increased in spleen and peripheral blood of Epo-treated mice compared with phosphate-buffered saline–treated mice. In in vivo models of postnatal neovascularization, Epo significantly increased inflammation- and ischemia-induced neovascularization. The physiologic relevance of these findings was investigated in patients with coronary heart disease. In a multivariate regression model, serum levels of Epo and vascular endothelial growth factor were significantly associated with the number of stem and progenitor cells in the bone marrow as well as with the number and function of circulating EPCs. In conclusion, the present study suggests that Epo stimulates postnatal neovascularization at least in part by enhancing EPC mobilization from the bone marrow. Epo appears to physiologically regulate EPC mobilization in patients with ischemic heart disease. Thus, Epo serum levels may help in identifying patients with impaired EPC recruitment capacity.

Circulating endothelial progenitor cells (EPC) are incorporated into newly formed capillaries, enhance neovascularization after hind limb ischemia and improve cardiac function after ischemic injury. Incorporated progenitor cells may also promote neovascularization and cardiac regeneration by releasing factors, which act in a paracrine manner to support local angiogenesis and mobilize tissue residing progenitor cells. Therefore, we analyzed the expression profile of cytokines in human peripheral blood-derived EPC as opposed to human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), human microvascular endothelial cells (HMVEC), and CD14+ monocytes by microarray technology. A gene tree analysis revealed a distinct expression pattern of angiogenic growth factors in EPC, mature endothelial cells, and CD14+ monocytes. VEGF-A, VEGF-B, SDF-1, and IGF-1 mRNA levels were higher in EPC as compared to HUVEC or HMVEC. The enhanced mRNA expression was paralleled by a significant release of VEGF, SDF-1, and IGF-1 protein into the cell culture supernatant of EPC. Moreover, immunohistological analysis of ischemic limbs from nude rats revealed that VEGF is also released from recruited human EPC in vivo. As a functional consequence, conditioned medium of EPC induced a strong migratory response of mature endothelial cells, which was significantly inhibited by VEGF and SDF-1 neutralizing antibodies. Finally, conditioned medium of EPC significantly stimulated the migration of cardiac resident c-kit+ progenitor cells in vitro. Taken together, EPC exhibit a high expression of angiogenic growth factors, which enhanced migration of mature endothelial cells and tissue resident cardiac progenitor cells. In addition to the physical contribution of EPC to newly formed vessels, the enhanced expression of cytokines may be a supportive mechanism to improve blood vessel formation and cardiac regeneration after cell therapy.

Background— Cell therapy with bone marrow–derived stem/progenitor cells is a novel option for improving neovascularization and cardiac function in ischemic heart disease. Circulating endothelial progenitor cells in patients with coronary heart disease are impaired with respect to number and functional activity. However, whether this impairment also extends to bone marrow–derived mononuclear cells (BM-MNCs) in patients with chronic ischemic cardiomyopathy (ICMP) is unclear. Methods and Results— BM-MNCs were isolated from bone marrow aspirates in 18 patients with ICMP (ejection fraction, 38±11%) and 8 healthy control subjects (controls). The number of hematopoietic stem/progenitor cells (CD34 + /CD133 + ), CD49d + (VLA-4) cells, and CXCR4 + cells did not differ between the 2 groups. However, the colony-forming capacity of BM-MNCs from patients with ICMP was significantly lower compared with BM-MNCs from healthy controls (37.3±25.0 versus 113.8±70.4 granulocyte-macrophage colony-forming units; P =0.009). Likewise, the migratory response to stromal cell–derived factor 1 (SDF-1) and vascular endothelial growth factor (VEGF) was significantly reduced in BM-MNCs derived from patients with ICMP compared with BM-MNCs from healthy controls (SDF-1, 46.3±26.2 versus 108.6±40.4 cells/microscopic field, P <0.001; VEGF, 34±24.2 versus 54.8±29.3 cells/microscopic field, P =0.027). To assess the in vivo relevance of these findings, we tested the functional activity of BM-MNCs to improve neovascularization in a hindlimb animal model using nude mice. Two weeks after ligation of the femoral artery and intravenous injection of 5×10 5 BM-MNCs, laser Doppler–derived relative limb blood flow in mice treated with BM-MNCs from patients with ICMP was significantly lower compared with mice treated with BM-MNCs from healthy controls (0.45±0.14 versus 0.68±0.15; P <0.001). The in vivo neovascularization capacity of BM-MNCs closely correlated with the in vitro assessment of SDF-1–induced migration ( r =0.78; P <0.001) and colony-forming capacity ( r =0.74; P <0.001). Conclusions— BM-MNCs isolated from patients with ICMP have a significantly reduced migratory and colony-forming activity in vitro and a reduced neovascularization capacity in vivo despite similar content of hematopoietic stem cells. This functional impairment of BM-MNCs from patients with ICMP may limit their therapeutic potential for clinical cell therapy.

Background— Transplantation of ex vivo expanded circulating endothelial progenitor cells (EPCs) from peripheral blood mononuclear cells improves the neovascularization after critical ischemia. However, the origin of the endothelial progenitor lineage and its characteristics have not yet been clearly defined. Therefore, we investigated whether the phenotype and functional capacity of EPCs to improve neovascularization depend on their monocytic origin. Methods and Results— Monocytic CD14 + cells were isolated from mononuclear cells and incubated on fibronectin-coated dishes in endothelial medium in the presence of vascular endothelial growth factor. After 4 days of cultivation, adherent cells deriving from CD14 + or CD14 − mononuclear cells showed equal expression of endothelial marker proteins and capacity for clonal expansion as determined by measuring endothelial colony-forming units. In addition, transplanted EPCs (5×10 5 cells) deriving from CD14 + or CD14 − cells were incorporated into vascular structures of nude mice after hind-limb ischemia and significantly improved neovascularization from 0.27±0.12 (no cells) to 0.66±0.12 and 0.65±0.17, respectively ( P <0.001; laser Doppler-derived relative blood flow). In contrast, no functional improvement of neovascularization was detected when freshly isolated CD14 + mononuclear cells without ex vivo expansion were used (0.33±0.17). Moreover, macrophages or dendritic cells differentiated from isolated CD14 + cells were significantly less effective in improving neovascularization than EPCs cultivated from the same starting population ( P <0.01). Conclusions— These data demonstrate that EPCs can be generated from nonmonocytic CD14 − peripheral blood mononuclear cells and exhibit a unique functional activity to improve neovascularization after hind-limb ischemia.