Revertir el tejido cicatricial después de un ataque cardíaco para crear un músculo cardíaco sano: esto cambiaría el juego en el campo de la cardiología y la medicina regenerativa. En el laboratorio, los científicos han demostrado que es posible convertir fibroblastos células de tejido cicatricial en cardiomiocitoscélulas del músculo cardíaco, pero clasificar los detalles de cómo sucede esto no ha sido fácil, y el uso de este tipo de enfoque en clínicas o incluso en otros proyectos de investigación básica ha resultado difícil de alcanzar.
Ahora, en un nuevo estudio publicado hoy en Naturaleza , los investigadores de UNC informan de un gran avance. Han utilizado la tecnología de secuenciación de ARN de una sola célula en combinación con modelos matemáticos y enfoques genéticos y químicos para delinear los cambios moleculares paso a paso que ocurren durante la conversión del destino celular de fibroblastos a cardiomiocitos. Los científicos, dirigido por Li Qian, PhD, profesor asistente de patología y medicina de laboratorio en la Facultad de Medicina de la UNC, no solo reconstruyó con éxito las rutas que una sola célula podría tomar en este proceso, sino que también identificó las vías moleculares subyacentes y los reguladores clave importantes para la transformación deun tipo de celda a otra
"Usamos la reprogramación cardíaca directa como ejemplo en este estudio", dijo Qian, el autor principal de este documento y miembro del Instituto del Corazón McAllister de la UNC, "pero las tuberías y los métodos que hemos establecido aquí pueden usarse en cualquierotro proceso de reprogramación, y potencialmente otros procesos biológicos no sincronizados y heterogéneos "
Cuando somos bebés, las células madre embrionarias en todo nuestro cuerpo cambian gradualmente a una variedad de tipos de células altamente especializadas, como neuronas, células sanguíneas y células del músculo cardíaco. Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que estos tipos de células específicas eran terminales;no podrían cambiar de nuevo ni volver a un estado entre el embrión y su etapa final diferenciada. Sin embargo, descubrimientos recientes muestran que es posible revertir las células somáticas diferenciadas terminalmente a un estado pluripotente, una especie de célula "maestra" que puede-producir y potencialmente convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo. Los científicos también han descubierto cómo convertir un tipo de célula somática diferenciada en otra sin desviarse a través de la etapa pluripotente o la etapa progenitora original. Estos hallazgos cambiaron el paradigma de la célulajerarquizó y revolucionó la investigación con células madre y el campo de la medicina regenerativa. Sin embargo, descubrió cómo estudiar los detalles de estos procesos para aprovecharellos para la investigación clínica y básica ha sido difícil.
La reprogramación cardíaca directa, un enfoque prometedor para la regeneración cardíaca y el modelado de enfermedades que Qian Lab ha sido pionero y ajustado en los últimos años, implica la conversión directa de no miocitos cardíacos en cardiomiocitos inducidos iCM que se parecen mucho a los CM endógenosComo cualquier proceso de reprogramación, las muchas celdas que se están reprogramando no lo hacen al mismo tiempo.
"Es un proceso 'asíncrono'", dijo Qian. "Las conversiones ocurren a diferentes intervalos. Entonces, en cualquier etapa, la población celular siempre contiene células no convertidas, parcialmente reprogramadas y completamente reprogramadas. Por lo tanto, la reprogramación celular es 'heterogénea,"lo que hace que sea difícil estudiar utilizando enfoques tradicionales".
En este estudio, mediante el uso de técnicas de secuenciación de ARN de células individuales microfluídicas, el laboratorio de Qian abordó los dos problemas principales de la programación 'asíncrona' y las poblaciones de células heterogéneas. Analizaron los cambios globales del transcriptoma durante la conversión del destino de fibroblastos a iCM.
Utilizando algoritmos matemáticos, identificaron subpoblaciones de células molecularmente distintas a lo largo de la tubería de reprogramación. Luego reconstruyeron rutas de formación de iCM basadas en simulación y validación experimental. Estas rutas les proporcionaron una hoja de ruta de alta resolución sin precedentes para estudios adicionales sobre los mecanismosde conversión celular.
"Parte de lo que encontramos es clínicamente importante", dijo Qian, "Por ejemplo, sabemos que después de un ataque cardíaco, los fibroblastos cardíacos alrededor del área lesionada se activan de inmediato y se vuelven altamente proliferativos, pero esta capacidad proliferativa disminuye con el tiempo. Cómopara aprovechar el variado estado del ciclo celular de los fibroblastos sobre la progresión de un ataque cardíaco y sus consecuencias, ciertamente ampliaría la aplicación de la reprogramación celular para los pacientes y optimizaría los resultados ".
Qian agregó: "Demostramos las rutas entre la proliferación celular y la reprogramación celular. También mostramos evidencia experimental de que la alteración de los estados del ciclo celular de inicio de fibroblastos cambiaría los resultados de la formación de nuevos miocitos".
Su equipo descubrió que las características moleculares de las subpoblaciones de fibroblastos se suprimieron de manera diferencial durante la reprogramación, lo que sugiere que la susceptibilidad de las células a reprogramarse varía.
Curiosamente, esta susceptibilidad coincide con el momento de la diferenciación de cardiomiocitos durante el desarrollo del corazón. Las firmas en las poblaciones intermedias que parecen aparecer antes en el desarrollo del corazón fueron más resistentes a las alteraciones. Esto sugiere que los recuerdos epigenéticos recientes de las células podrían ser másse borran fácilmente, por lo que las subpoblaciones de fibroblastos con tales características epigenéticas se convierten más fácilmente en cardiomiocitos.
"La manipulación de recuerdos epigenéticos, no solo el cambio de su estado epigenético actual, podría ser crucial para alterar el destino de una célula por su valor terapéutico", dijo Qian.
Con un análisis más detallado de los cambios globales en la expresión génica durante la reprogramación, los investigadores identificaron una baja regulación inesperada de los factores involucrados en el procesamiento y empalme de ARNm
"Esto es una gran sorpresa para nosotros", dijo Qian. "Descubrimos que parte de la maquinaria celular básica cambia drásticamente, como la maquinaria para la producción, transporte y degradación de proteínas, y como documentamos en detalle: empalme de ARNmmaquinaria."
El equipo continuó con un análisis funcional detallado del candidato principal: el factor de empalme llamado Ptbp1. La evidencia lo sugiere como una barrera crítica para la adquisición de patrones de empalme específicos de cardiomiocitos en fibroblastos. La investigación de Qian mostró que el agotamiento de Ptbp1 promovió la formación demás iCMs.
"El nuevo conocimiento aprendido de nuestros estudios mecanicistas de cómo un solo factor de empalme regula la conversión del destino de fibroblastos a cardiomiocitos es realmente una ventaja para nosotros", continuó Qian. "Sin la naturaleza imparcial de este enfoque, no obtendríamos talinformación nueva y valiosa sobre el proceso de reprogramación. Y esa es la belleza de nuestra plataforma ".
El análisis cuantitativo adicional reveló una fuerte correlación entre la expresión de cada factor de reprogramación y el progreso de las células individuales a través del proceso de reprogramación, y condujo al descubrimiento de nuevos marcadores de superficie para el enriquecimiento de iCM.
Qian dijo: "Creo que los enfoques interdisciplinarios en este documento son muy poderosos. Nos ayudaron a identificar funciones o mecanismos previamente no reconocidos, así como a comprender mejor la naturaleza de una célula y la progresión de una enfermedad. En última instancia, este enfoque podríabeneficia no solo a los pacientes con enfermedades cardíacas, sino también a los pacientes con cáncer, diabetes, enfermedades neurológicas y otras afecciones. Estamos muy entusiasmados con el camino por delante ".
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Materiales proporcionado por Cuidado de la salud de la Universidad de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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