Caracterització de la biologia dels fibroblasts cardíacs i la seva resposta a estrès cel·lular

Abstract

Els fibroblasts cardíacs són els principals productors de la matriu extracel·lular que cohesiona la musculatura del cor, conferint-li les propietats ideals per transformar la contracció dels cardiomiòcits en el moviment de la paret cardíaca que permet el bombeig de la sang. A més, aquestes cèl·lules intervenen en el procés de sincronització del batec i la secreció de factors tròfics potenciant el creixement del cor durant el desenvolupament. En condicions patològiques, com ara el tall del flux sanguini al miocardi (isquèmia), els fibroblasts cardíacs secreten la matriu que generarà la cicatriu durant la mort del miocardi. No obstant, tot i que aquest esdeveniment és essencial per sobreviure a l’infart, la deposició de matriu extracel·lular pot representar una complicació si s’allarga en el temps o s’activa excessivament. Per això, s’està destinant molt esforç a la identificació de l’origen embrional i els tipus cel·lulars precisos que constitueixen la població de fibroblasts cardíacs, a re-avaluar la seva abundància al cor, així com a comprendre la regulació de la síntesi i secreció de matriu extracel·lular. El nostre grup havia demostrat que els fibroblasts cardíacs expressen elevats nivells de Bcl-2, una proteïna anti-apoptòtica que els protegeix la integritat mitocondrial durant la isquèmia, reduint l’activació de les caspases. Tot i que estan ben caracteritzats pel que fa a la quantitat, l’origen genètic i l’activitat dels fibroblasts cardíacs, hi ha poca informació sobre els mecanismes implicats en la resistència d’aquestes cèl·lules a la isquèmia i per això, vam decidir seguir investigant aquest aspecte. La hipòtesi inicial era que l’autofàgia, un procés implicat en el reciclatge de components cel·lulars regulat per Bcl-2 i que pot ser utilitzat per obtenir energia, podia estar implicada en la major supervivència dels fibroblasts cardíacs a la isquèmia. L’anàlisi de l’autofàgia a fibroblasts primaris neonatals de rata, utilitzant tant inhibidors químics com el silenciament de gens clau, va mostrar que és un procés important en condicions normals però no durant la isquèmia en aquestes cèl·lules. Malgrat això, vam trobar que l’elevada expressió de Bcl-2 és necessària per la supervivència dels fibroblasts cardíacs en condicions normals, a més de durant la isquèmia i l’estrès de reticle. També vam trobar que aquestes cèl·lules presenten diverses característiques associades a la major capacitat de supervivència en relació a d’altres fibroblasts, incloent major respiració basal i de reserva, nivells de radicals lliures d’oxigen elevats però millor controlats durant la isquèmia, nivells elevats d’expressió d’enzims antioxidants i de complexos de la cadena respiratòria, però menys expressió de Pgc-1α i Mitofusina-2, associat a una xarxa mitocondrial amb més mitocondris aïllats. Aquestes característiques es troben relacionades amb la major activació de senyalització inflamatòria i vam mostrar que moltes depenen d’una activació basal elevada de la via de transducció de senyal Jak/Stat. En conjunt, els nostres resultats ajuden a la millor comprensió de les característiques biològiques subjacents a la major capacitat de supervivència dels fibroblasts cardíacs.

Los fibroblastos cardíacos son los principales productores de la matriz extracelular que cohesiona la musculatura del corazón, confiriéndole las propiedades ideales para transformar la contracción de los cardiomiocitos en el movimiento de la pared cardíaca que permite el bombeo de la sangre. Además, estas células intervienen en el proceso de sincronización del latido y la secreción de factores tróficos potenciando el crecimiento del corazón durante el desarrollo. En condiciones patológicas, tales como el corte del flujo sanguíneo al miocardio (isquemia), los fibroblastos cardíacos secretan la matriz que generará la cicatriz durante la muerte del miocardio. Sin embargo, aunque este evento es esencial para sobrevivir al infarto, la deposición de matriz extracelular puede representar una complicación si se alarga en el tiempo o se activa excesivamente. Debido a eso, se está destinando mucho esfuerzo a la identificación del origen embrionario y los tipos celulares precisos que constituyen la población de fibroblastos cardíacos, a re-evaluar su abundancia en el corazón, así como a comprender la regulación de la síntesis y secreción de matriz extracelular. Nuestro grupo había demostrado que los fibroblastos cardíacos expresan niveles elevados de Bcl-2, una proteína anti-apoptótica que protege la integridad mitocondrial durante la isquemia, reduciendo la activación de las caspasas. Aunque se han caracterizado bien la cantidad, el origen genético y la actividad de los fibroblastos cardíacos, hay poca información sobre los mecanismos implicados en la resistencia a la isquemia de estas células y por eso decidimos seguir investigando este aspecto. La hipótesis inicial era que la autofagia, un proceso implicado en el reciclaje de componentes celulares regulado por Bcl-2 y que puede ser utilizado para obtener energía, podía estar implicada en la mayor supervivencia de los fibroblastos cardíacos a la isquemia. El análisis de la autofagia en fibroblastos primarios neonatales de rata, utilizando tanto inhibidores químicos como el silenciamiento de genes clave, mostró que es un proceso importante en condiciones normales, pero no durante la isquemia en estas células. Sin embargo, encontramos que la elevada expresión de Bcl-2 es necesaria para la supervivencia de los fibroblastos cardíacos en condiciones normales, además de durante la isquemia y el estrés de retículo. Encontramos también que estas células presentan varias características asociadas a la mayor capacidad de supervivencia en relación a otros fibroblastos, incluyendo mayor respiración basal y de reserva, niveles de radicales libres de oxígeno elevados pero mejor controlados durante la isquemia, niveles elevados de expresión de enzimas antioxidantes y de complejos de la cadena respiratoria, pero menos expresión de Pgc-1α y Mitofusina-2, asociado a una red mitocondrial con más mitocondrias aisladas. Estas características están relacionadas con la mayor activación de señalización inflamatoria y mostramos que muchas dependen de una activación basal elevada de la vía de transducción de señal Jak/Stat. En conjunto, nuestros resultados ayudan a una mejor comprensión de las características biológicas subyacentes a la mayor capacidad de supervivencia de los fibroblastos cardíacos.

Cardiac fibroblasts are the main producers of the extracellular matrix that binds together the cardiac muscle, giving it the ideal properties to transform the contraction of cardiomyocytes into the movement of the heart wall that allows blood pumping. In addition, these cells intervene in the process of beat synchronization and the secretion of trophic factors, enhancing the growth of the heart during development. In pathological conditions such as cut off of blood flow to the myocardium (ischemia), cardiac fibroblasts secrete the matrix that will generate the scar during myocardial death. Although this event is essential to survive the infarction, the deposition of extracellular matrix can represent a complication if it is prolonged in time or is excessively activated. That is why a lot of effort is being devoted to identifying the embryonic origin and the precise cell types that make up the population of cardiac fibroblasts, to re-evaluating their abundance in the heart, as well as to understanding the regulation of extracellular matrix synthesis and secretion. Our group had shown that cardiac fibroblasts express a high level of Bcl-2, an anti-apoptotic protein that protects mitochondrial integrity during ischemia, reducing the activation of caspases. Although the number, genetic origin, and activity of cardiac fibroblasts have been well characterized, there is little information on the mechanisms involved in the resistance of these cells to ischemia and that is why we decided to continue investigating this aspect. The initial hypothesis was that autophagy, a process involved in the recycling of cellular components regulated by Bcl-2 and that can be used to obtain energy, could be involved in the greater survival of cardiac fibroblasts to ischemia. Analysis of autophagy in neonatal rat primary fibroblasts, using both chemical inhibitors and key gene silencing, showed that it is an important process under normal conditions, but not during ischemia in these cells. However, we found that the high expression of Bcl-2 is necessary for the survival of cardiac fibroblasts under normal conditions, as well as during ischemia and reticulum stress. We also found that these cells present several characteristics associated with a higher survival capacity in relation to other fibroblasts, including greater basal and reserve respiration, elevated levels of reactive oxygen species, which are better controlled during ischemia, high levels of expression of antioxidant enzymes and of complexes of the respiratory chain, but less expression of Pgc-1α and Mitofusin-2, associated with a mitochondrial network with more isolated mitochondria. These characteristics are related to the greater activation of inflammatory signaling and we show that many of them depend on a high basal activation of the Jak/Stat signal transduction pathway. Taken together, our results help to better understand the biological characteristics underlying the greater survival capacity of cardiac fibroblasts.