Extracellular matrix micromechanical properties for healthy and pathological hearts and the effects on iPS driven cardiomyocyte forces

Resumen

Ha sido ampliamente demostrado que la mecánica de la matriz extracelular (ECM) de muchos tejidos, y específicamente la del corazón, afecta a las funciones celulares. También es conocida la existencia de una reciprocidad dinámica entre las células cardíacas y la mecánica de la ECM, viéndose esta comunicación afectada en presencia de patologías. El objetivo de esta tesis es la caracterización micromecánica de la ECM de corazones sanos y patológicos, así como el estudio de los efectos de la mecánica de la ECM en cardiomiocitos diferenciados de células iPS. Se han estudiado diferentes regiones histológicas de la pared del ventrículo izquierdo sano (N=8) e infartado (N=8) de ratón, así como del septo interventricular de pacientes con estenosis aórtica (AS) (N=21). Se muestra que la pared ventricular de los corazones sanos es mecánicamente heterogénea en diferentes regiones histológicas, exhibiendo un módulo efectivo de Young que va desde 30.2 ± 2.8 kPa en las regiones ricas en colágeno hasta los 74.5 ± 8.7 kPa en las regiones ricas en elastina. La ECM remodelada tras el infarto es tres veces más rígida que las regiones ricas en colágeno del miocardio. Tanto en corazones sanos como infartados la ECM muestra un comportamiento viscoso similar al de los sólidos que se puede describir mediante una ley suma de dos potencias. Se ha caracterizado la micromecánica de corazones humanos con AS respecto a muestras sanas de pared del ventrículo izquierdo, midiéndose para ello la rigidez efectiva y la fluencia lenta de las zonas misiales y no misiales del endomisio. Las zonas misiales de los pacientes de AS, que se relacionan con fibrosis difusa, tienen un módulo de Young efectivo de 14.83 ± 9.1 kPa, significativamente más bajo que el de los controles, de 30.9 ± 13.6 kPa. Este valor es a su vez similar al de la pared ventricular de ratón. No se han visto diferencias significativas entre las zonas no misiales de AS y el control, con valores de 30.76 ± 14 kPa y 40.13 ± 35 kPa, respectivamente. Las zonas no misiales son 2.5 veces más rígidas que las zonas misiales. La combinación de medidas de AFM con las de inmunohistofluorescencia y microscopía confocal han permitido correlacionar la mecánica con la composición histológica de la ECM. Así se obtiene una relación lineal entre la rigidez y el ratio relativo de colágeno I/III, aumentando la rigidez con dicho ratio. Además los menoresratios de colágeno I/III se obtienen para las zonas misiales, es decir para la fibrosis difusa. Finalmente se han medido los efectos de la mecánica de la ECM, así como de su composición, en las fuerzas ejercidas por iPS-CM mediante microscopía de fuerzas de tracción. Una mayor rigidez del sustrato implica un aumento de los momentos generados por las células. Además, las células ejercen menos fuerza sobre un mismo sustrato cuando se adhieren al colágeno III que cuando lo hacen al colágeno I. Cabe señalar que se han descrito cambios en el ratio de colágeno I/III en las patologías de AS y MI. Por una parte la AS disminuye la rigidez de la zona misial, lo cual disminuye las fuerzas de los cardiomiocitos. Por otra parte el MI rigidiza la ECM, lo cual aumenta las fuerzas de los cardiomiocitos, pero también hace que la pared sea más delgada en la zona de la cicatriz. Sin embargo la AS, que incrementa la presión sanguínea en el ventrículo, produce la hipertrofia de la pared ventricular con el objetivo de mantener la tensión en la pared segúnla ley de Lapace. Todos estos resultados de fuerzas, rigideces y composiciones para distintas patologías, junto con los datos existentes sobre la hipertrofia del tejido cardíaco en la bibliografía, plantean la posibilidad de la existencia de un mecanismo compensatorio entre los factores mencionados. El conocimiento de las propiedades mecánicas intrínsecas de la ECM en la escala en la cual las células sienten su entorno aporta nueva información para entender la comunicación célula-ECM en corazones sanos y patológicos.