Ex vivo, in vitro and in silico characterization of human cardiac aging and its impact on Arrhythmic risk. Caracterización ex vivo, in vitro e in silico del envejecimiento cardiaco humano y su impacto en el riesgo arrítmico
Year: 2023
Type: dissertation
Abstract: Las enfermedades cardiovasculares (ECV) son la principal causa de muerte a nivel mundial. Una proporción relevante de pacientes con ECV desarrollan arritmias, algunas de las cuales pueden conducir a la muerte cardiaca súbita. El envejecimiento es uno de los principales factores de riesgo de las ECV, en general y de las arritmias en particular. En el corazón, el envejecimiento se asocia a cambios moleculares y celulares que acaban provocando un remodelado estructural y funcional. Entre las alteraciones cardiacas asociadas a la edad se encuentran la inestabilidad genómica, la pérdida de proteostasis, la senescencia celular, el remodelado de la matriz extracelular, la alteración de la comunicación intercelular y la expresión génica, entre otros. La mayoría de los estudios de envejecimiento cardiaco se han realizado en modelos animales, de limitado valor traslacional, siendo la investigación en humanos escasa y de naturaleza mayoritariamente transversal debido a las limitaciones inherentes asociadas a la investigación en humanos. Además, el envejecimiento cardiaco se realiza sobre todo en relación a la edad cronológica (EC), un índice temporal que no tiene en cuenta la tasa de envejecimiento individual y, por tanto, no explica necesariamente el estado biológico de un individuo o un órgano. La edad biológica (EB) de un órgano, percibida como su estado estructural y funcional real, comprende factores genéticos y ambientales que actúan conjuntamente a lo largo del tiempo. Un conocimiento más profundo sobre los mecanismos moleculares y celulares implicados en el envejecimiento cardiaco humano, junto con el desarrollo de modelos longitudinales de envejecimiento cardiaco humano, podrían impulsar el desarrollo de herramientas no invasivas para la detección precoz y la prevención de arritmias asociadas a la edad. Esta tesis investiga los rasgos distintivos del envejecimiento en el ventrículo izquierdo (VI) humano mediante el análisis molecular e histológico de muestras de VI de donantes vivos combinado con metodologías in vitro e in silico. Los mecanismos cardiacos relacionados con la edad estudiados en la tesis son la expresión génica, con especial atención a los miRNAs (reguladores pleiotrópicos postranscripcionales) y el remodelado de la fibrosis y CX43, siendo esta última un componente principal de las uniones GAP en el VI humano. Tomando como base las caracterizaciones experimentales realizadas, se han creado modelos in vitro e in silico para avanzar en el estudio del impacto que el envejecimiento tiene en el corazón humano. El capítulo 2 estudia de manera transversal la dinámica transcripcional del miocardio envejecido en relación con la EC y la EB, centrándose en los miRNAs como reguladores clave de la expresión génica. Esta tesis demuestra el potencial de CDKN2A y AppAge como descriptores transcriptómicos de EB del VI además de su capacidad para revelar cambios asociados a la edad de una forma más precisa que la EC. Sobre la base de los resultados relacionados con CKDN2A, se ha construido una red bioinformática de regulación génica específica del VI controlada por miRNAs relacionados con la EB (BIO-AGEmiRNA) que proporciona nuevos conocimientos sobre los posibles mecanismos regulados por miRNAs en el deterioro del VI inducido por la edad. Además, se proponen dos BIO-AGEmiRNAs relacionados con el VI que están presentes en plasma y son, por tanto, posibles biomarcadores sanguíneos no invasivos del miocardio envejecido. El capítulo 3 caracteriza la expresión de LMNA y LMNA Δ50 en el miocardio humano a partir de la mediana edad y desarrolla y caracteriza una línea hiPSC de expresión inducible de LMNA Δ50 bajo la hipótesis de que el envejecimiento prematuro inducido por LMNA Δ50 puede recapitular aspectos fundamentales del envejecimiento cardiaco natural. Esta tesis descarta que la LMNA Δ50 intervenga en el envejecimiento cardiaco natural, mientras que la expresión inducible de LMNA Δ50 en cardiomiocitos derivados de hiPSC recapitula rasgos distintivos del envejecimiento y cambios en la expresión génica observados en el envejecimiento fisiológico del corazón humano. El capítulo 4 analiza el remodelado del colágeno (cantidad, agregación y distribución espacial) a partir de la mediana edad en el VI humano en relación a la EC y la EB. De forma complementaria, se realiza el mismo análisis en un modelo animal clínicamente relevante, el cerdo, desde la edad adulta hasta la vejez. A partir de la mediana edad, los cambios en las características del colágeno muestran una escasa relación con la EC, pero están estrechamente relacionados con la cantidad de lipofuscina o pigmento de la edad. La consistencia entre los resultados en cerdos y en humanos destaca el valor del cerdo como modelo relevante y traslacional para estudiar el remodelado del VI en función de la edad. Los resultados de la caracterización experimental se han integrado en modelos in silico de electrofisiología del VI humano de manera paciente-específica para evaluar el efecto arrítmico de la fibrosis. Esta tesis demuestra que las alteraciones con la edad tanto en la cantidad como en la organización de la fibrosis aumentan la vulnerabilidad a las arritmias. El capítulo 5 caracteriza el remodelado de la CX43 (contenido, nivel de expresión, heterogeneidad y lateralización) y su relación con la fibrosis en el VI humano a partir de la mediana edad en función de la EC y la EB. En la población analizada, no se observa un remodelado significativo de las características relativas a CX43 a partir de la mediana edad, ni por EC ni por EB. Además, no existe correlación entre las características de la CX43 y la deposición de fibrosis, en contraste con observaciones en modelos animales. Se han construido modelos tisulares computacionales de la actividad eléctrica ventricular humana, que representan los datos obtenidos. Los resultados de la simulación muestran que una reducción en la cantidad de la CX43 y/o un incremento en su heterogeneidad espacial combinados con mayores niveles de fibrosis, como se cuantifica en algunos individuos, conducen a un aumento del riesgo proarrítmico determinado por un incremento de la dispersión espacial de la repolarización y una ampliación de la ventana temporal en la que se producen arritmias por reentrada desencadenadas por latidos prematuros. En conclusión, esta tesis aporta una caracterización experimental exhaustiva de los rasgos distintivos del envejecimiento cardiaco humano en relación con la EC y la EB; la cuantificación del riesgo de arritmias ventriculares asociado a los rasgos distintivos analizados, basada en modelizaciones y simulaciones computacionales biofísicamente detalladas; y la creación y caracterización de un modelo in vitro de envejecimiento celular cardiaco que recapitula cambios observados experimentalmente en humanos. Además, esta tesis demuestra la importancia de la investigación interdisciplinar e integradora para generar nuevo conocimiento sobre el envejecimiento cardiaco humano, que puede ser la base para futuras estrategias que lleven a un envejecimiento cardiaco saludable.
Source: Zaguan (Universidad de Zaragoza)
Language: Spanish
Subfield: Cardiology and Cardiovascular Medicine
Field: Medicine
Domain: Health Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W6991103510