Promoting cardiac regeneration by biomimetic microenvironments

Abstract

(English) Cardiovascular diseases are the most common cause of death in the world. The heart has a very limited regeneration capacity. Thus, following tissue damage – e.g., myocardial infarction –, heart transplantation remains the only effective and curative treatment. Efforts are now focused on developing alternative therapies aimed at regenerating the injured myocardium. In situ tissue engineering holds great promise for the activation and promotion of endogenous regenerative programs. Particularly, metabolic reprogramming offers the opportunity to stimulate cardiac tissue in situ by controlling energy substrate availability.

Employing metabolic reprogramming for guiding cell plasticity represents a promising approach for cardiac repair given that opposing and marked changes in cardiac metabolism and phenotype occur simultaneously. Notably, during fetal development, cardiac cells exist within a unique metabolic milieu characterized by low oxygen levels and high concentrations of lactate. In this environment, cardiomyocytes exhibit proliferative abilities and undergo hyperplasia. In contrast, adult cardiomyocytes are non-proliferative and primarily grow through hypertrophy. This is accompanied by the metabolic shift during fetal to adult transition, switching from glycolysis to lipid metabolism. Previous studies have demonstrated that exposure to exogenous lactate – i.e., by mimicking the metabolic microenvironment of early development – promotes cardiomyocyte proliferation and cell cycle progression. Still, these reports used immature cells, which do not have the same metabolism as adult tissue and thus may not mirror the in vivo response in a clinical setting.

Therefore, in this thesis, we evaluated the effect of exogenous lactate on mature cardiac tissue by using different established in vitro and ex vivo models of adult myocardium. First, we evaluated the response of adult cardiac fibroblasts to lactate. Exogenous lactate alleviated inflammation and did not promote fibrosis. On the contrary, some anti-fibrosis signatures were reported in activated cardiac fibroblasts, including reduced migration and decreased myofibroblast activation.

Then, we evaluated the effect of lactate in multicellular models, which comprised all cardiac cell types. These included in vitro living myocardial slices (LMS) and ex vivo isolated Langendorff hearts. Lactate maintained LMS alive for extended culture periods. Moreover, exogenous lactate significantly improved cardiac function of cryoinjured rat LMS and human (healthy and pathological) LMS. Particularly, analyses of gene expression revealed that lactate increases transcription of stemness-related, cell cycle, and cardiomyocyte structural genes. Furthermore, in a Langendorff mouse model of ischemia–reperfusion injury, reperfusion with lactate improved functional recovery. Cellular death and infarct size were also reduced upon administration of exogenous lactate at the onset of reperfusion. Finally, we assessed the suitability of novel electroconductive bacterial cellulose materials (BC-Ppy) as cardiac patches. BC-Ppy displayed appropriate properties for cardiac applications, including electrical conductivities in the range of native cardiac tissue, and were biocompatible with cardiac cells. Importantly, BC-Ppy scaffolds promoted cell viability, attachment, and maturation of myoblasts towards a cardiomyocyte-like phenotype. Thus, BC-Ppy nanocomposites hold great promise as an appealing in vivo platform to locally deliver lactate through their combination with other lactate-releasing materials.

Altogether, this thesis highlights the pro regenerative capabilities of lactate in various models of mature cardiac tissue. Consequently, here we support the prospective employment of exogenous lactate as a metabolic modulator for in situ cardiac regenerative therapies.

(Català) Les malalties cardiovasculars són la causa més comuna de mort al món. El cor té una capacitat de regeneració molt limitada. Així doncs, després de danys tissulars,–- per exemple, com un infart de miocardi -, el trasplantament de cor segueix sent l'única opció de tractament efectiva i curativa. Actualment, els esforços estan centrats en desenvolupar teràpies alternatives amb l'objectiu de regenerar el miocardi lesionat. L'enginyeria de teixits in situ té un gran potencial per a l'activació i promoció dels programes regeneratius endògens. En particular, la reprogramació metabòlica ofereix l'oportunitat d'estimular el teixit cardíac in situ mitjançant el control de la disponibilitat de substrats energètics.

L'ús de la reprogramació metabòlica per guiar la plasticitat cel·lular i promoure la regeneració cardíaca és un procediment prometedor, ja que ocorren canvis oposats i marcats en el metabolisme i el fenotip cardíac de manera simultània. Cal destacar que durant el desenvolupament fetal, les cèl·lules cardíaques es troben en un entorn metabòlic únic caracteritzat per baixos nivells d'oxigen i altes concentracions de lactat. En aquest entorn, els miòcits cardíacs presenten capacitats proliferatives i experimenten hiperplàsia. En canvi, els miòcits cardíacs adults no són proliferatius i creixen principalment per hipertròfia. Això s'acompanya del canvi metabòlic durant la transició de fetal a adult, passant de la glicòlisi al metabolisme dels lípids. Estudis anteriors han demostrat que l'exposició al lactat exogen, és a dir, mimetitzant el microentorn metabòlic del desenvolupament primerenc, promou la proliferació dels miòcits cardíacs i la progressió del cicle cel·lular. No obstant això, aquests estudis han utilitzat cèl·lules immadures, que no tenen el mateix metabolisme que el teixit adult i, per tant, podrien no reflectir la resposta in vivo en un context clínic.

Per tant, en aquesta tesi, hem avaluat l'efecte del lactat exogen en teixit cardíac madur utilitzant diferents models establerts in vitro i ex vivo de miocardi adult. En primer lloc, hem avaluat la resposta dels fibroblasts cardíacs adults al lactat. El lactat exogen ha alleujat la inflamació i no ha promogut la fibrosi. Per contra, s'han observat certs indicis de disminució de la fibrosi en els fibroblasts cardíacs activats, incloent-hi una reducció de la migració i una disminució de l'activació de miofibroblasts. A continuació, vam avaluar l'efecte del lactat en models multicel·lulars, que incloïen tots els tipus de cèl·lules cardíaques. Aquests models van incloure living myocardial slices (LMS) in vitro i cors aïllats ex vivo amb el mètode de Langendorff. El lactat va mantenir els LMS vius durant períodes de cultiu prolongats. A més, el lactat exogen va millorar significativament la funció cardíaca dels LMS de rates amb lesions per criogènesi i dels LMS humans (sans i patològics). En particular, els anàlisis de l'expressió gènica van revelar que el lactat augmenta la transcripció de gens relacionats amb la pluripotència, el cicle cel·lular i l'estructura dels miòcits cardíacs. A més, en un model Langendorff d'isquèmia-reperfusió de ratolí, la reperfusió amb lactat també va millorar la recuperació funcional. Així mateix, la mort cel·lular i la mida de l'infart també es van reduir mitjançant l'administració de lactat exogen en l'inici de la reperfusió.

En conjunt, aquesta tesi posa de manifest les capacitats proregeneratives del lactat en diversos models de teixit cardíac madur. Per tant, donem suport a la possibilitat d'usar lactat exogen com a modulador metabòlic per a teràpies de regeneració cardíaca in situ en un futur.