Bone marrow dysfunction in diabetes

Background. Diabetes mellitus (DM) increases cardiovascular disease (CVD) and this is attributed, at least in part, to shortage of vascular regenerative cells derived from the bone marrow (BM). Indeed, the BM harbours several subsets of progenitor cells for endothelial, smooth muscle cells and cardiomyocytes, which derive from a common CD34+ ancestor. Recent data from experimental models of type 1 and type 2 diabetes highlight BM pathologies that include microangiopathy, neuropathy, altered gene expression and niche dysfunction. Aims. The set of experiments herein described aim to portray the alterations of BM function in clinical and experimental diabetes. Methods. The approaches are diversified and include: 1) A prospective trial of direct BM stimulation with human recombinant granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) in diabetic and non diabetic patients; 2) A meta-regression analysis of trials using G-CSF to stimulate cardiovascular repair in diabetic and non diabetic patients; 3) A study of stem/progenitor cell compartmentalization in the BM and peripheral blood (PB), in relation to diabetes; 4) An animal study to dissect the role of DPP-4 dysregulation in the impaired stem/progenitor cell mobilization induced by diabetes. Results. Part 1: in response to G-CSF, levels of CD34+ cells and other progenitor cell phenotypes increased in non DM subjects. DM patients had significantly impaired mobilization of CD34+, CD133+, CD34+CD133+ hematopoietic stem cells and CD133+KDR+ endothelial progenitors, independently of potential confounders. The in vivo angiogenic capacity of circulating mononuclear cells increased after hrG-CSF in non DM controls, but not in DM patients. DM was associated with inability to upregulate CD26/DPP-4 on CD34+ cells, which is required for the mobilizing effect of G-CSF. Part 2: for the meta-regression analysis 227 articles were screened, 96 were retrieved for evaluation and 24 retained for the analysis of the primary end-point. There was a strong negative correlation between prevalence of diabetes and achieved CD34+ cell levels after G-CSF stimulation (r=-0.68; p<0.0001), while there was no correlation with other traditional risk factors. A multiple regression analysis showed that the correlation between diabetes and mobilization was independent. In 13 articles reporting pre- and post-G-CSF cell counts, the increase in CD34+ cells was also negatively correlated with prevalence of diabetes (r=-0.82; p<0.0001). Part 3. PB and BM CD34+ cell counts were directly correlated, and that most circulating CD34+ cells were viable, non-proliferating and derived from the BM. Then, PB and BM CD34+ cell levels were analyzed in a 2-compartment model in 72 patients with or without cardiovascular disease. Self organizing maps showed that disturbed compartmentalization of CD34+ cells was associated with aging and cardiovascular risk factors, especially diabetes. High activity of DPP-4, a regulator of the mobilizing chemokine SDF-1α, was associated with altered stem cell compartmentalization. The role of DPP-4 in the BM mobilization response of diabetic rats was then assessed. Diabetes differentially affected DPP-4 activity in PB and BM and impaired stem/progenitor cell mobilization after ischemia or G-CSF administration. DPP-4 activity in the BM was required for the mobilizing effect of G-CSF, while in PB it blunted ischemia-induced mobilization. Indeed, DPP-4 deficiency restored ischemia (but not G-CSF) -induced stem cell mobilization and improved vascular recovery in diabetic animals. Conclusion. Evidences from multiple clinical and experimental approaches indicate that diabetes impairs the mobilization of stem/progenitor cells from the BM to PB. This primary BM defect is related to a maladaptive and tissue-specific DPP-4 dysregulation

Presupposti. Il diabete mellito (DM) aumenta il rischio cardiovascolare e ciò viene attribuito almeno in parte alla riduzione delle cellule vasculo-rigenerative di origine midollare. Infatti il midollo osseo contiene precursori per cellule endoteliali, muscolari lisce e cardiomiociti, che derivano da un progenitore CD34+. Dati recenti ottenuti da modelli sperimentali di diabete tipo 1 e tipo 2 indicano l’esistenza di difetti midollari che includono microangiopatia, neuropatia, alterazione dell’espressione genica e disfunzione della nicchia staminale. Obiettivi. Questo set di esperimenti ha avuto l’obiettivo di descrivere in dettaglio le alterazioni della funzione midollare nel diabete clinico e sperimentale. Metodi. Gli approcci metodologici sono diversificati e comprendono: 1) un trial di stimolazione midollare diretta con G-CSF ricombinante umano in pazienti con e senza diabete; 2) un’analisi di meta-regressione dei trials in cui il G-CSF è stato somministrato per indurre rigenerazione cardiovascolare in pazienti con e senza diabete; 3) lo studio della compartimentalizzazione delle cellule staminali/progenitrici nel midollo e nel sangue periferico, in relazione al diabete; 4) un modello animale per la definizione del ruolo di DPP-4 nel difetto di mobilizzazione midollare associato al diabete. Risultati. Parte 1: in risposta al G-CSF, le cellule CD34+ circolanti aumentavano significativamente nel paziente non diabetico, ma non nel diabetico, che mostrava anche una difettosa mobilizzazione di cellule ematopoietiche CD133+ e CD34+CD133+, nonché di cellule progenitrici endoteliali CD133+KDR+, indipendentemente dai possibili fattori confondenti. La capacità angiogenica in vivo delle cellule mononucleate aumentava significativamente dopo G-CSF nei soggetti diabetici ma non nei non diabetici, rispetto al basale. Il diabete risultava associato ad una incapacità di upregolare DPP-4 sulle cellule CD34+ in risposta al G-CSF. Parte 2: per la meta-regressione sono stati individuati 227 articoli, recuperati 96 e trattenuti 24 per l’analisi primaria. È stata identificata una forte correlazione negativa tra prevalenza del diabete all’interno di ogni trial e livello delle cellule CD34+ raggiunte dopo mobilizzazione con G-CSF (r=-0.68; p<0.0001). Una analisi di regressione multipla ha confermato che il risultato era indipendente da possibili fattori confondenti. In 13 articoli contenenti dati sui livelli di cellule CD34+ pre- e post-G-CSF, la correlazione negativa tra prevalenza del diabete e mobilizzazione appariva ancora più stretta (r=-0.82; p<0.0001). Parte 3: i livelli delle cellule CD34+ nel midollo e nel sangue periferico risultano essere direttamente correlati e la maggior parte delle cellule CD34+ erano di origine midollare, non proliferanti e non apoptotiche. Lo studio della compartimentalizzazione delle cellule CD34+ in 72 pazienti con e senza malattia cardiovascolare mediante l’uso delle mappe auto-organizzanti ha permesso di rilevare alterazioni della mobilizzazione in presenza di diabete ed elevato rischio cardiovascolare. Inoltre, un’elevata attività plasmatica di DPP-4 si associava ad alterata compartimentalizzazione delle cellule CD34+. In ratti diabetici rispetto ai controlli, l’attività di DPP-4 risultava significativamente aumentata nel sangue periferico e ridotta nel midollo osseo. Lo studio di ratti geneticamente deficienti dell’enzima DPP-4 ha permesso di stabilire che l’alterazione tessuto-specifica di DPP-4 nel diabete è responsabile del difetto di mobilizzazione post-G-CSF e post-ischemia. La delezione di DPP-4 ripristinava la mobilizzazione post-ischemica di cellule staminali ematopoietiche e progenitrici endoteliali e favoriva il recupero del tessuto ischemico nel diabete. Conclusioni. Diversi tipi di evidenze sperimentali indicano chiaramente che il diabete induce un difetto nella mobilizzazione delle cellule staminali/progenitrici midollari. Questo difetto primitivo del midollo osseo nel diabete è correlato ad una disregolazione tessuto-specifica dell’attività dell’enzima DPP-4