Un modello di trapianto di cuore di ratto eterotopico neonatale per lo studio della transizione da endoteliale a mesenchimale
Summary
Questo lavoro presenta un modello animale di fibrosi indotta da transizione endoteliale a mesenchimale, come si vede nei difetti cardiaci congeniti come la stenosi aortica critica o la sindrome del cuore sinistro ipoplasico, che consente una valutazione istologica dettagliata del tessuto, l’identificazione delle vie di segnalazione regolatorie e la verifica delle opzioni di trattamento.
Abstract
La fibroelastosi endocardica (EFE), definita dall’accumulo di tessuto subendocardico, ha un impatto importante sullo sviluppo del ventricolo sinistro (LV) e preclude ai pazienti con stenosi aortica critica congenita e sindrome del cuore sinistro ipoplasico (HLHS) la riparazione chirurgica biventricolare anatomica curativa. La resezione chirurgica è attualmente l’unica opzione terapeutica disponibile, ma l’EFE spesso si ripresenta, a volte con un pattern di crescita ancora più infiltrativo nel miocardio adiacente.
Per comprendere meglio i meccanismi alla base dell’EFE e per esplorare le strategie terapeutiche, è stato sviluppato un modello animale adatto alla sperimentazione preclinica. Il modello animale prende in considerazione che l’EFE è una malattia del cuore immaturo ed è associata a disturbi del flusso, come supportato dalle osservazioni cliniche. Pertanto, il trapianto di cuore eterotopico di cuori di donatori di ratti neonatali è la base di questo modello.
Il cuore di un ratto neonatale viene trapiantato nell’addome di un ratto adolescente e collegato all’aorta infrarenale e alla vena cava inferiore del ricevente. Mentre la perfusione delle arterie coronarie preserva la vitalità del cuore del donatore, il ristagno del flusso all’interno del ventricolo sinistro induce la crescita dell’EFE nel cuore molto immaturo. Il meccanismo alla base della formazione di EFE è la transizione delle cellule endoteliali endocardiche in cellule mesenchimali (EndMT), che è un meccanismo ben descritto dello sviluppo embrionale precoce delle valvole e dei setti, ma anche la principale causa di fibrosi nell’insufficienza cardiaca. La formazione di EFE può essere osservata macroscopicamente entro pochi giorni dal trapianto. L’ecocardiografia transaddominale viene utilizzata per monitorare la vitalità dell’innesto, la contrattilità e la pervietà delle anastomosi. Dopo l’eutanasia, il tessuto EFE viene raccolto e mostra le stesse caratteristiche istopatologiche del tessuto EFE umano di pazienti affetti da HLHS.
Questo modello in vivo consente di studiare i meccanismi di sviluppo dell’EFE nel cuore e di testare le opzioni di trattamento per prevenire la formazione di questo tessuto patologico e offre l’opportunità di un esame più generalizzato della fibrosi indotta da EndMT.
Introduction
La fibroelastosi endocardica (EFE), definita dall’accumulo di collagene e fibre elastiche nel tessuto subendocardico, si presenta come un endocardio ispessito perlaceo o opaco; L’EFE subisce una crescita più attiva durante il periodo fetale e la prima infanzia1. In uno studio autoptico, il 70% dei casi con sindrome del cuore sinistro ipoplasico (HLHS) è stato associato alla presenza di EFE2.
Le cellule che esprimono marcatori per i fibroblasti sono la principale popolazione cellulare in EFE, ma queste cellule esprimono contemporaneamente anche marcatori endoteliali endocardici, che è un’indicazione dell’origine di queste cellule EFE. Il nostro gruppo ha precedentemente stabilito che il meccanismo alla base della formazione di EFE coinvolge un cambiamento fenotipico delle cellule endoteliali endocardiche in fibroblasti attraverso la transizione endoteliale a mesenchimale (EndMT)3. L’EndMT può essere rilevata utilizzando la doppia colorazione immunoistochimica per marcatori endoteliali come il cluster di differenziazione (CD) 31 o l’endotelio vascolare (VE)-caderina (CD144) e marcatori di fibroblasti (ad esempio, actina alfa-muscolare liscia, α-SMA). Inoltre, abbiamo anche precedentemente stabilito il ruolo regolatore della via TGF-ß in questo processo con l’attivazione dei fattori di trascrizione SLUG, SNAIL, e TWIST3.
L’EndMT è un processo fisiologico che si verifica durante lo sviluppo cardiaco embrionale e porta alla formazione dei setti e delle valvole dai cuscinetti endocardici4, ma provoca anche fibrosi d’organo nell’insufficienza cardiaca, nella fibrosi renale o nel cancro e svolge un ruolo chiave nell’aterosclerosi vascolare 5,6,7,8. L’EndMT nella fibrosi cardiaca è regolata principalmente attraverso la via TGF-β, come abbiamo riportato 3,9. Sono stati descritti vari stimoli per indurre l’EndMT: infiammazione10, ipossia11, alterazioni meccaniche12 e disturbi del flusso, comprese le alterazioni del flusso sanguigno intracavitario13, e l’EndMT può anche essere una conseguenza di una malattia genetica14.
Questo modello animale è stato sviluppato utilizzando i componenti chiave dello sviluppo dell’EFE cardiaca, che sono l’immaturità e le alterazioni del flusso sanguigno intracavitario, in particolare il ristagno del flusso. L’immaturità è stata soddisfatta utilizzando cuori di ratto neonatale come donatori, poiché i ratti neonatali sono noti per essere immaturi dal punto di vista dello sviluppo subito dopo la nascita. Il trapianto di cuore eterotopico ha offerto la possibilità di limitare il flusso intracavitario15.
Da un punto di vista clinico, questo modello animale consente di studiare meglio l’impatto di EndMT sul ventricolo sinistro (LV) in crescita. La restrizione della crescita imposta al cuore fetale e neonatale attraverso la formazione di EFE indotta da EndMT16 preclude ai pazienti con ostruzioni del tratto di efflusso ventricolare sinistro (LVOTO) come la stenosi aortica critica congenita e la sindrome del cuore sinistro ipoplasico (HLHS) la riparazione chirurgica biventricolare anatomica curativa17. Questo modello animale facilita lo studio dei meccanismi cellulari e della regolazione della formazione tissutale attraverso l’EndMT e consente di testare le opzioni di trattamento farmacologico 3,18.
L’ecocardiografia transaddominale viene utilizzata per monitorare la vitalità dell’innesto, la contrattilità e la pervietà delle anastomosi. Dopo l’eutanasia, la formazione di EFE può essere osservata macroscopicamente entro 3 giorni dal trapianto. Il tessuto EFE mostra le stesse caratteristiche istopatologiche del tessuto EFE umano di pazienti con LVOTO.
Quindi, questo modello animale, sebbene sviluppato per l’uso pediatrico nello spettro dell’HLHS, può essere applicato quando si studiano varie malattie basate sul meccanismo molecolare di EndMT.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo modello animale di trapianto eterotopico di cuore di ratto donatore neonatale nell’addome del ricevente crea la possibilità di studiare la fibrosi derivata da EndMT attraverso una valutazione istologica dettagliata del tessuto, identificare le vie di segnalazione regolatorie e testare le opzioni di trattamento. Poiché l’EndMT è il meccanismo alla base delle malattie fibrotiche del cuore, questo modello ha un grande valore nel campo della cardiochirurgia pediatrica e non solo. In questo modello, molti fattori po…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata da Additional Ventures – Single Ventricle Research Fund (SVRF) e Single Ventricle Expansion Fund (a I.F.) e da una borsa di studio Marietta Blau della OeAD-GmbH da fondi forniti dal Ministero Federale Austriaco dell’Istruzione, della Scienza e della Ricerca BMBWFC (a G.G.).
Materials
| Advanced Ventilator System For Rodents, SAR-1000 | CWE, Inc. | 12-03100 | small animal ventilator |
| aSMA | Sigma | A2547 | Antibody for Immunohistochemistry |
| Axio observer Z1 | Carl Zeiss | inverted microscope | |
| Betadine Solution | Avrio Health L.P. | 367618150092 | |
| CD31 | Invitrogen | MA1-80069 | Antibody for Immunohistochemistry |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | Antibody for Immunohistochemistry |
| DemeLON Nylon black 10-0 | DemeTECH | NL76100065F0P | 10-0 Nylon suture |
| ETFE IV Catheter, 18G x 2 | TERUMO SURFLO | SR-OX1851CA | intubation cannula |
| Micro Clip 8mm | Roboz Surgical Instrument Co. | RS-6471 | microvascular clamps |
| Nylon black monofilament 11-0 | SURGICAL SPECIALTIES CORP | AA0130 | 11-0 Nylon |
| O.C.T. Compound | Tissue-Tek | 4583 | Embedding medium for frozen tissue specimen |
| p-SMAD2/3 | Invitrogen | PA5-110155 | Antibody for Immunohistochemistry |
| Rodent, Tilting WorkStand | Hallowell EMC. | 000A3467 | oblique shelf for intubation |
| Silk Sutures, Non-absorbable, 7-0 | Braintree Scientific | NC9201231 | Silk suture |
| Slug/Snail | Abcam | ab180714 | Antibody for Immunohistochemistry |
| Undyed Coated Vicryl 5-0 P-3 18" | Ethicon | J493G | 5-0 Vicryl |
| Undyed Coated Vicryl 6-0 P-3 18" | Ethicon | J492G | 6-0 Vicryl |
| VE-Cadherin | Abcam | ab231227 | Antibody for Immunohistochemistry |
| Zeiss OPMI 6-SFR | Zeiss | Surgical microscope | |
| Zen, Blue Edition, 3.6 | Zen | inverted microscope software |
References
- Lurie, P. R. Changing concepts of endocardial fibroelastosis. Cardiology in the Young. 20 (2), 115-123 (2010).
- Crucean, A., et al. Re-evaluation of hypoplastic left heart syndrome from a developmental and morphological perspective. Orphanet Journal of Rare Diseases. 12 (1), 138 (2017).
- Xu, X., et al. Endocardial fibroelastosis is caused by aberrant endothelial to mesenchymal transition. Circulation Research. 116 (5), 857-866 (2015).
- Eisenberg, L. M., Markwald, R. R. Molecular regulation of atrioventricular valvuloseptal morphogenesis. Circulation Research. 77 (1), 1-6 (1995).
- Illigens, B. M., et al. Vascular endothelial growth factor prevents endothelial-to-mesenchymal transition in hypertrophy. Annals of Thoracic Surgery. 104 (3), 932-939 (2017).
- Zeisberg, E. M., Potenta, S. E., Sugimoto, H., Zeisberg, M., Kalluri, R. Fibroblasts in kidney fibrosis emerge via endothelial-to-mesenchymal transition. Journal of the American Society of Nephrology. 19 (12), 2282-2287 (2008).
- Zeisberg, E. M., Potenta, S., Xie, L., Zeisberg, M., Kalluri, R. Discovery of endothelial to mesenchymal transition as a source for carcinoma-associated fibroblasts. 암 연구학. 67 (21), 10123-10128 (2007).
- Souilhol, C., Harmsen, M. C., Evans, P. C., Krenning, G. Endothelial-mesenchymal transition in atherosclerosis. Cardiovascular Research. 114 (4), 565-577 (2018).
- Zeisberg, E. M., et al. Endothelial-to-mesenchymal transition contributes to cardiac fibrosis. Nature Medicine. 13 (8), 952-961 (2007).
- Rieder, F., et al. Inflammation-induced endothelial-to-mesenchymal transition: A novel mechanism of intestinal fibrosis. American Journal of Pathology. 179 (5), 2660-2673 (2011).
- Johnson, F. R. Anoxia as a cause of endocardial fibroelastosis in infancy. AMA Archives of Pathology. 54 (3), 237-247 (1952).
- Shimada, S., et al. Distention of the immature left ventricle triggers development of endocardial fibroelastosis: An animal model of endocardial fibroelastosis introducing morphopathological features of evolving fetal hypoplastic left heart syndrome. Biomedical Research. 2015, 462-469 (2015).
- Weixler, V., et al. Flow disturbances and the development of endocardial fibroelastosis. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 159 (2), 637-646 (2020).
- Purevjav, E., et al. Nebulette mutations are associated with dilated cardiomyopathy and endocardial fibroelastosis. Journal of the American College of Cardiology. 56 (18), 1493-1502 (2010).
- Friehs, I., et al. An animal model of endocardial fibroelastosis. Journal of Surgical Research. 182 (1), 94-100 (2013).
- Emani, S. M., et al. Staged left ventricular recruitment after single-ventricle palliation in patients with borderline left heart hypoplasia. Journal of the American College of Cardiology. 60 (19), 1966-1974 (2012).
- Hickey, E. J., et al. Critical left ventricular outflow tract obstruction: The disproportionate impact of biventricular repair in borderline cases. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 134 (6), 1429-1436 (2007).
- Oh, N. A., et al. Abnormal flow conditions promote endocardial fibroelastosis via endothelial-to-mesenchymal transition, which is responsive to losartan treatment. JACC: Basic to Translational Science. 6 (12), 984-999 (2021).
- Blanchard, J. M., Pollak, R. Techniques for perfusion and storage of heterotopic heart transplants in mice. Microsurgery. 6 (3), 169-174 (1985).
- Kokudo, T., et al. Snail is required for TGFbeta-induced endothelial-mesenchymal transition of embryonic stem cell-derived endothelial cells. Journal of Cell Science. 121 (20), 3317-3324 (2008).
- Wu, B., et al. Endocardial cells form the coronary arteries by angiogenesis through myocardial-endocardial VEGF signaling. Cell. 151 (5), 1083-1096 (2012).
- Clark, E. S., et al. A mouse model of endocardial fibroelastosis. Cardiovascular Pathology. 24 (6), 388-394 (2015).
- Kovacic, J. C., et al. Endothelial to mesenchymal transition in cardiovascular disease: JACC state-of-the-art review. Journal of the American College of Cardiology. 73 (2), 190-209 (2019).
- Derynck, R., Zhang, Y. E. Smad-dependent and Smad-independent pathways in TGF-beta family signalling. Nature. 425 (6958), 577-584 (2003).
- Daugherty, A., et al. Recommendation on design, execution, and reporting of animal atherosclerosis studies: A scientific statement from the American Heart Association. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 37 (9), e131-e157 (2017).
