Cercetătorii identifică îmbătrânirea cardiacă ca rezultat al unui regulator în celulele musculare cardiace
O analiză detaliată a transcriptomului pe nucleu unic arată modul în care inimile umane își pierd echilibrul celular odată cu înaintarea în vârstă și sugerează PRDM16 ca țintă moleculară potențială pentru cercetări viitoare privind îmbătrânirea cardiacă.
Un studiu recent publicat în revista Science Advances a realizat o analiză cuprinzătoare pentru a cartografia peisajul transcriptomic al inimii umane, de la dezvoltarea fetală până la vârsta adultă înaintată. Această cercetare a analizat 442.239 de nuclee unicelulare din inimi non-failante și a identificat stări transcripționale asociate vârstei în celulele musculare cardiace, legate de pierderea progresivă a homeostaziei expresiei genelor, răspunsurilor la stres și semnalizării inflamatorii.
Una dintre cele mai notabile descoperiri ale studiului a fost identificarea unui regulator transcripțional, PRDM16. Activitatea și expresia PRDM16 au scăzut odată cu înaintarea în vârstă, iar reducerea PRDM16 în modelele de cardiomiocite umane a indus fenotipuri asemănătoare senescenței, metabolice și de răspuns la stres. Rezultatele studiului au arătat că supraexpresia Prdm16 în inimile șoarecilor vârstnici a îmbunătățit funcția sistolică și a inversat parțial programele transcripționale asociate cu îmbătrânirea, indicând astfel o țintă moleculară potențială pentru cercetările viitoare în acest domeniu.
Decenii de cercetare cardiacă au stabilit că inima umană se bazează pe o rețea complexă de celule specializate care lucrează în armonie pentru a menține circulația constantă. Totuși, cercetările recente sugerează că sistemul cardiac suferă o schimbare structurală și funcțională progresivă care compromite performanța sa circulatorie anterioară. Astfel, îmbătrânirea este recunoscută ca un factor de risc major pentru bolile cardiovasculare.
Din nefericire, în timp ce știința a elucidat modificările la nivel macro care apar pe măsură ce inima îmbătrânește, dinamica celulară și căile moleculare subiacente acestui proces rămân insuficient studiate. Recenziile pe acest subiect atribuie aceste lacune de cunoștințe dificultăților întâmpinate de cercetările anterioare în izolarea celulelor fragile ale mușchiului cardiac adult. Astfel, oamenii de știință au o înțelegere limitată a mecanismelor care stau la baza modificărilor expresiei genelor între ventriculul stâng și ventriculul drept pe parcursul dezvoltării, adolescenței și îmbătrânirii, care afectează performanța temporală a sistemului cardiovascular și contribuie la progresia bolii cardiace.
Studiul de față a avut ca scop abordarea acestor lacune de cunoștințe și informarea cercetărilor mecaniste și preclinice viitoare printr-o evaluare cuprinzătoare a țesutului transmural non-failant, colectând 54 de mostre din 29 de donatori individuali pe parcursul a șase etape de viață distincte, de la dezvoltarea fetală timpurie (13 săptămâni de gestație) până la adulții vârstnici (75 de ani).
Cercetarea a utilizat în principal secvențierea ARN-ului pe nucleu unic (snRNA-seq) pentru a analiza nucleele individuale și a captura stările transcripționale din cardiomiocitele fragile și alte celule cardiace. Setul final de date analitice a cuprins 442.239 de nuclee unice. Analiza statistică a folosit analiza principalelor componente (PCA) pentru a urmări similitudinile transcripționale mai largi pe parcursul diferitelor etape de viață ale inimii umane.
Studiul a utilizat, de asemenea, modele de celule stem pluripotente induse umane (hiPSC) pentru a testa impactul manipulărilor genetice țintite in vitro. În plus, cercetarea a investigat efectele utilizării livrării adenovirale intramiocardice pentru a supraexprima Prdm16 în inimile șoarecilor de 23 de luni, evaluând funcția cardiacă pe parcursul a aproximativ două săptămâni. Principalele rezultate ale studiului au inclus modificări ale proporțiilor celulare, scorurile activării SASP și capacitatea respiratorie mitocondrială.
Rezultatele studiului au arătat că îmbătrânirea cardiacă este un proces dinamic, coordonat și multicelular, subliniind că în timpul vieții timpurii, inima își pierde rapid populația de celule proliferative (ProC) (de la 7,2% la 1,1% între stadiile fetale timpurii și late), sugerând că potențialul proliferativ asemănător cardiomiocitelor este considerabil redus înainte de naștere.
În contrast, inimile vârstnice au arătat un stat pronunțat indus de stres în cardiomiocite (CMs), denumit CM4, care a dominat inimile persoanelor cu vârste cuprinse între 60 și 75 de ani. Analizele statistice indică faptul că starea CM4 este caracterizată printr-o expresie crescută a CRYAB în cardiomiocite și mostre de inimă vârstnică (P < 2,28 × 10-16), un biomarker cunoscut al stresului celular. Această stare CM4 a fost, de asemenea, asociată cu scoruri crescute de îmbătrânire a cardiomiocitelor și scoruri SASP (P < 2,28 × 10-16).
Probabil cea mai importantă descoperire a studiului a fost identificarea PRDM16, un TF a cărui activitate reglatorie a fost observată că scade semnificativ odată cu înaintarea în vârstă. Expresia PRDM16 a fost asociată invers cu scorurile de îmbătrânire (R = -0,6, P < 0,0001).
În plus, reducerea PRDM16 în modelele celulare umane a declanșat disfuncții celulare asociate senescenței, conducând la o creștere semnificativă a inhibitorului ciclului celular p21 (P < 0,01) și o supraproducție a markerului inflamator interleukina-8 (P < 0,001). Pe de altă parte, atunci când cercetătorii au supraexpresat Prdm16 în inimile șoarecilor vârstnici, aceasta a îmbunătățit semnificativ funcția sistolică cardiac prin creșterea fracției de ejecție și a scurtării fracției în raport cu controalele vârstnice, în timp ce a atenuat hipertrofia cardiomiocitelor.
Studiul de față stabilește o resursă novelă, detaliată, derivată din nucleu unic, care detaliază modul în care inima umană se schimbă de-a lungul unei vieți. Identificarea PRDM16 sugerează că unele caracteristici moleculare ale declinului cardiac asociat cu îmbătrânirea ar putea fi modificabile în modelele experimentale, fără a dovedi că îmbătrânirea cardiacă umană poate fi inversată.
Studiul a utilizat concluziile sale pentru a genera ceasuri de îmbătrânire transcriptomice. Aceste ceasuri s-au dovedit a fi precise, arătând o corelație aproape perfectă cu vârsta gestațională în mostrele fetale (coeficientul de corelație Pearson = 0,997). Când au fost aplicate inimilor bolnave, aceste ce
