Тканевое микроокружение управляет регенерацией сердца

Сердце млекопитающих ограничено в своих способностях к регенерации, и его ткани не восстанавливаются после инфаркта. Это обусловлено низкой способностью кардиомиоцитов к обновлению. При повреждениях сердечной мышцы, вызванных инфарктом, также нарушается тканевое микроокружение. Ученые из США показали на мышиной модели, что это микроокружение — перспективная мишень для запуска регенерации поврежденного сердца.

Обновлению сердца у взрослых млекопитающих препятствует сигнальный путь Hippo — киназный каскад, фосфорилирующий и инактивирующий YAP. В неонатальных сердцах он обладает низкой активностью, а ингибирование этого сигнального пути и активация YAP в сердцах взрослых мышей и свиней после инфаркта способствует восстановлению миокарда. Ученые исследовали две мышиные модели восстановления сердца: активацию YAP5SA в кардиомиоцитах и неонатальный инфаркт миокарда.

Сначала исследователи провели анализ пространственной транскриптомики сердца мыши, в кардиомиоцитах которого искусственно активировали YAP5SA. Проведя секвенирование РНК единичных клеток, они обнаружили семь клеточных категорий: взрослые кардиомиоциты двух типов (aCM1 и aCM2), гладкомышечные клетки, фибробласты сердца, макрофаги и два типа эндотелиальных клеток (EC1 и EC2). В сердцах с активацией YAP5SA количество макрофагов и aCM2 увеличивалось, а EC2 — уменьшалось. Математическое моделирование экспрессии выявило модуль из 62 генов, коррелировавший с переходом от aCM1 к aCM2. Часть этих генов была ассоциирована с разборкой саркомеров.

Дальнейшее сравнение между aCM1 и aCM2 показало, что во втором типе кардиомиоцитов активнее экспрессировались фетальные гены, в том числе связанные с организацией саркомеров. Экспрессия генов окислительного метаболизма, напротив, была снижена в aCM2. Исходя из этого, ученые предположили, что aCM2 представляет собой фетальную популяцию кардиомиоцитов.

Из 346 генов, экспрессия которых повышалась в содержащих aCM2 участках сердца, восемь относились к системе комплемента (Cfh, Apoe, Serping1, C3, C1qb, C1qc, C1qa и Clu). При этом C3 экспрессировался в фибробластах aCM2-содержащих участков, а С1 — в макрофагах той же локализации. Эти макрофаги экспрессировали также рецептор к C3 (С3ar1). Такую колокализацию aCM2, C3⁺ фибробластов и C3ar1⁺ макрофагов авторы обозначили как клеточные триады.

Внутри таких клеточных триад происходил обмен сигналами — YAP5SA aCM2 и C3⁺ фибробласты воздействовали на C3ar1⁺ макрофаги. Транкскриптомный анализ выявил у этих макрофагов противовоспалительные и репаративные сигнатуры.

На модели инфаркта миокарда исследователи показали, что сборка клеточных триад индуцируется при инфаркте. Также они обнаружили, что активность YAP индуцируется в aCM2-содержащих участках — она увеличивалась на третий день после инфаркта и снижалась по мере заживления сердца.

Для обновления кардиомиоцитов, как показало дальнейшее исследование, требуется участие C3 и C3ar1. Делеция хотя бы одного из этих белков нарушала разборку саркомеров в кардиомиоцитах и препятствовала нормальному протеканию их клеточного цикла — количество маркеров перехода из S- в G2-фазу и маркеров M-фазы было снижено.

Роль C3/C3ar1 сигналинга подтвердилась и в неонатальной модели инфаркта. Чтобы определить функцию C3ar1 в неонатальном восстановлении сердца, ученые моделировали инфаркт миокарда у четырехдневных мышат дикого типа или нокаутных по C3ar1. Анализ состояния сердца проводили через 10 и 28 дней после моделирования инфаркта. Эхокардиография показала, что фракция выброса снижалась на 10-й день в обеих группах, но восстанавливалась к 28-му дню у мышей дикого типа. Фракция выброса у C3ar1^-/- мышей при этом оставалась сниженной.

Аналогичным образом ученые смоделировали инфаркт у C3^-/- мышат. На 28-й день после инфаркта миокарда авторы проводили секвенирование РНК единичных ядер. Они показали, что у мышей дикого типа происходило восстановление сердца, в отличие от мышей C3^-/-. Фиброз у последних также был намного более выраженным. В фибробластах сердца C3^-/- мышей экспрессировалось больше генов окислительного метаболизма и меньше — генов регуляции иммунитета. Авторы предположили, что в C3^-/- фибробластах нарушается активация гликолиза после инфаркта миокарда. Дальнейший анализ экспрессии генов указал на то, что потеря экспрессии C3 фибробластами сердца приводит к тому, что кардиомиоциты приобретают более зрелый фенотип и снижают способность к пролиферации.

Исследование демонстрирует, что регенерация кардиомиоцитов требует сложного микроокружения, и в этом процессе участвуют макрофаги и фибробласты сердца. Взаимный обмен сигналами обеспечивает пролиферацию кардиомиоцитов в неонатальном сердце и способствует восстановлению миокарда после инфаркта. Авторы статьи подчеркивают важность этого обнаружения, ведь оно показывает, что для регенерации поврежденного сердца необходимо нацеливаться на комплексное микроокружение, а не на отдельный тип клеток.

Энхансерные элементы рыбки данио улучшили состояние сердца у мышей