Modello di coltura biomimetica del tessuto cardiaco (CTCM) per emulare la fisiologia e fisiopatologia cardiaca ex vivo

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 934 (2022) Citare questo articolo

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È necessario un sistema in vitro affidabile in grado di replicare accuratamente l'ambiente fisiologico cardiaco per i test antidroga. La disponibilità limitata di sistemi di coltura del tessuto cardiaco umano ha portato a interpretazioni imprecise degli effetti dei farmaci correlati al cuore. Qui, abbiamo sviluppato un modello di coltura del tessuto cardiaco (CTCM) in grado di stimolare elettromeccanicamente fettine di cuore con allungamenti fisiologici in sistole e diastole durante il ciclo cardiaco. Dopo 12 giorni di coltura, questo approccio ha parzialmente migliorato la vitalità delle fettine di cuore ma non ha mantenuto completamente la loro integrità strutturale. Pertanto, in seguito allo screening di piccole molecole, abbiamo scoperto che l'incorporazione di tri-iodotironina (T3) 100 nM e desametasone (Dex) 1 μM nei nostri terreni di coltura ha preservato la struttura microscopica delle fette per 12 giorni. Se combinato con il trattamento T3/Dex, il sistema CTCM ha mantenuto il profilo trascrizionale, la vitalità, l’attività metabolica e l’integrità strutturale per 12 giorni agli stessi livelli del tessuto cardiaco fresco. Inoltre, lo stiramento eccessivo del tessuto cardiaco ha indotto la segnalazione ipertrofica cardiaca in coltura, il che fornisce una prova di concetto della capacità del CTCM di emulare condizioni ipertrofiche indotte dallo stiramento cardiaco. In conclusione, la CTCM può emulare la fisiologia cardiaca e la fisiopatologia in coltura per un periodo prolungato, consentendo così uno screening farmacologico affidabile.

Prima degli studi clinici, è necessario disporre di sistemi in vitro affidabili in grado di replicare accuratamente l'ambiente fisiologico del cuore umano. Tali sistemi dovrebbero modellare allungamenti meccanici, frequenza cardiaca e proprietà elettrofisiologiche alterate. I modelli animali, la piattaforma di screening della fisiologia cardiaca prevalentemente utilizzata, hanno un'affidabilità limitata nel rispecchiare gli effetti dei farmaci osservati nel cuore umano1,2. In definitiva, il modello sperimentale di coltura del tessuto cardiaco (CTCM) ideale è quello che dimostra elevata sensibilità e specificità per vari interventi terapeutici e farmacologici replicando accuratamente la fisiologia e la fisiopatologia del cuore umano3. La mancanza di un tale sistema ha limitato la scoperta di farmaci per nuove terapie per l’insufficienza cardiaca4,5 e ha fatto sì che la cardiotossicità indotta dai farmaci sia una delle principali cause di ritiro dal mercato6.

Nell’ultimo decennio, otto farmaci non cardiovascolari sono stati ritirati dall’uso clinico perché inducono un prolungamento dell’intervallo QT, con conseguente aritmia ventricolare e morte improvvisa7. Pertanto, vi è una crescente necessità di strategie di screening preclinico affidabili per valutare l’efficacia e la tossicità cardiovascolare. Il recente spostamento verso l'uso di cardiomiociti derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (hiPS-CM) nello screening farmacologico e nei test di tossicità ha fornito una soluzione parziale a questo problema; tuttavia, la natura immatura degli hiPS-CM e la mancanza della complessità multicellulare del tessuto cardiaco rappresentano i principali limiti di questa tecnologia8. Recenti sforzi hanno dimostrato che questa limitazione può essere parzialmente superata se gli hiPS-CM in fase iniziale, subito dopo l'inizio delle contrazioni spontanee, vengono utilizzati per formare idrogel di tessuto cardiaco e sono sottoposti ad un graduale aumento della stimolazione elettrica nel tempo9. Tuttavia, questi microtessuti hiPS-CM mancano delle proprietà elettrofisiologiche e contrattili mature del miocardio umano adulto. Inoltre, il tessuto cardiaco umano è strutturalmente più complicato, composto da una miscela eterogenea di vari tipi di cellule, tra cui cellule endoteliali, neuroni e fibroblasti stromali legati insieme da una particolare serie di proteine ​​della matrice extracellulare10. Questa eterogeneità della popolazione cellulare non cardiomiocitaria11,12,13 nel cuore dei mammiferi adulti rappresenta un ostacolo importante nella modellazione del tessuto cardiaco utilizzando singoli tipi di cellule. Queste importanti limitazioni evidenziano l'importanza di sviluppare metodi per coltivare il tessuto miocardico intatto in condizioni fisiologiche e patologiche9.