Modelo biomimético de cultura de tecido cardíaco (CTCM) para emular fisiologia e fisiopatologia cardíacas ex vivo

Biologia das Comunicações volume 5, Número do artigo: 934 (2022) Cite este artigo

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Há necessidade de um sistema in vitro confiável que possa replicar com precisão o ambiente fisiológico cardíaco para testes de drogas. A disponibilidade limitada de sistemas de cultura de tecido cardíaco humano levou a interpretações imprecisas dos efeitos cardíacos relacionados a drogas. Aqui, desenvolvemos um modelo de cultura de tecido cardíaco (CTCM) que pode estimular eletromecanicamente fatias de coração com trechos fisiológicos em sístole e diástole durante o ciclo cardíaco. Após 12 dias de cultivo, esta abordagem melhorou parcialmente a viabilidade dos cortes cardíacos, mas não manteve completamente sua integridade estrutural. Portanto, após a triagem de moléculas pequenas, descobrimos que a incorporação de 100 nM de tri-iodotironina (T3) e 1 μM de dexametasona (Dex) em nosso meio de cultura preservou a estrutura microscópica das fatias por 12 dias. Quando combinado com tratamento T3/Dex, o sistema CTCM manteve o perfil transcricional, viabilidade, atividade metabólica e integridade estrutural por 12 dias nos mesmos níveis do tecido cardíaco fresco. Além disso, o estiramento excessivo do tecido cardíaco induziu a sinalização hipertrófica cardíaca em cultura, o que fornece uma prova de conceito para a capacidade da CTCM de emular condições hipertróficas induzidas pelo estiramento cardíaco. Em conclusão, a CTCM pode emular a fisiologia e a fisiopatologia cardíacas em cultura por um período prolongado, permitindo assim uma triagem confiável de drogas.

Antes dos estudos clínicos, há uma necessidade de sistemas in vitro confiáveis que possam replicar com precisão o ambiente fisiológico do coração humano. Esses sistemas devem modelar extensões mecânicas alteradas, frequência cardíaca e propriedades eletrofisiológicas. Modelos animais, a plataforma de triagem de fisiologia cardíaca predominantemente usada, têm confiabilidade limitada em espelhar os efeitos de drogas observados em corações humanos1,2. Em última análise, o modelo de cultura de tecido cardíaco experimental ideal (CTCM) é aquele que demonstra alta sensibilidade e especificidade para várias intervenções terapêuticas e farmacológicas enquanto replica com precisão a fisiologia e fisiopatologia do coração humano3. A falta de tal sistema limitou a descoberta de drogas para novas terapêuticas para insuficiência cardíaca4,5 e resultou na cardiotoxicidade induzida por drogas sendo uma das principais causas de retirada do mercado6.

Na última década, oito drogas não cardiovasculares foram retiradas do uso clínico por induzirem prolongamento do intervalo QT, resultando em arritmia ventricular e morte súbita7. Portanto, há uma necessidade crescente de estratégias de triagem pré-clínica confiáveis para avaliar a eficácia e a toxicidade cardiovascular. A recente mudança para o uso de cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPS-CMs) na triagem de drogas e testes de toxicidade forneceu uma solução parcial para esse problema; no entanto, a natureza imatura dos hiPS-CMs e a falta de complexidade multicelular do tecido cardíaco são as principais limitações dessa tecnologia8. Esforços recentes mostraram que essa limitação pode ser parcialmente superada se os hiPS-CMs em estágio inicial, logo após o início das contrações espontâneas, forem usados para formar hidrogéis de tecido cardíaco e forem submetidos a um aumento gradual na estimulação elétrica ao longo do tempo9. No entanto, esses microtecidos hiPS-CMs carecem das propriedades eletrofisiológicas e contráteis maduras do miocárdio humano adulto. Além disso, o tecido cardíaco humano é estruturalmente mais complicado, composto por uma mistura heterogênea de vários tipos celulares, incluindo células endoteliais, neurônios e fibroblastos estromais ligados entre si por um arranjo particular de proteínas da matriz extracelular10. Essa heterogeneidade da população de células não cardiomiócitos11,12,13 no coração de mamíferos adultos é um grande obstáculo na modelagem do tecido cardíaco usando tipos de células individuais. Essas grandes limitações destacam a importância do desenvolvimento de métodos para cultura de tecido miocárdico íntegro em condições fisiológicas e patológicas9.

80% power to detect a 10% absolute change in the parameter with a 5% Type I error rate. Tissue slices were randomized choices before experiments. All analyses were blinded with regard to conditions, and samples were decoded only after all data were analyzed. GraphPad Prism software (San Diego, CA) was used to perform all statistical analyses. For all statistics, p-values were considered significant at values <0.05. Two-tailed Student t-tests were performed for data with only 2 group comparisons. One-way or two-way ANOVA was used to determine the significance between multiple groups. The Tukey correction was applied to account for multiple comparisons when performing post hoc tests. RNAseq data had special statistical consideration to calculate the FDR and the p.adjust as summarized under the methods section./p>