心臓の治癒における心筋線維芽細胞の役割
線維芽細胞が心臓の回復をどう助けるか調査中。
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目次
心臓には細胞を支える構造があって、それが細胞外マトリックス(ECM)って呼ばれるものだよ。心臓発作の後には、このマトリックスが安定した瘢痕を作るために変わる必要があるんだ。この瘢痕は、発作中に死んじゃった心筋細胞を置き換えるのに重要なんだよ。高血圧や糖尿病みたいな状態になると、ECMが有害な方法で変わっちゃって、余分な瘢痕組織ができることがある。心臓の細胞がこういう状況でどんなふうに反応して変わるかを理解することが、より良い治療法を見つける手助けになるんだ。
心臓線維芽細胞の役割
心臓線維芽細胞は、ECMを生成し維持する特別な細胞だよ。心臓が傷つくと、これらの線維芽細胞は活性化されて、より効率的にECMの成分を作るマイオ線維芽細胞に変わるんだ。この変化は適切な治癒には重要なんだ。線維芽細胞は普段は休んでる状態なんだけど、ケガやストレスで活性化されると、瘢痕組織に寄与するたんぱく質をたくさん作り始めるんだ。
線維症の種類
心臓には2種類の線維症があるんだ。修復線維症は、心臓が傷ついた後に起こるもので、心臓の癒しを助ける瘢痕組織ができる。でも、過剰な線維症、つまり反応性線維症も、高血圧や糖尿病のような継続的なストレスによって起こることがあるんだ。これが心臓を硬くしちゃって、血液をうまくポンプできなくなるんだよ。
線維芽細胞活性化に影響を与える要因
線維芽細胞が活性化されてマイオ線維芽細胞になるのを制御する要因はたくさんあるんだ。その中の重要なプレーヤーがTGFβ1というシグナルタンパク質なんだ。このタンパク質は、線維芽細胞がECMたんぱく質をもっと作り始めるために必要な変化を促進するんだ。他にも成長因子や環境からのシグナルが線維芽細胞と相互作用して、その行動に影響を与えるんだ。
心筋梗塞中の変化
心臓発作の時、線維芽細胞はすぐに休止状態から活動状態に切り替わるんだよ。彼らは増殖を始めて、大量のECMを作るんだ。このプロセスにはマイオ線維芽細胞の動員も含まれていて、彼らが傷を癒すために瘢痕を作るんだ。初めの活動ラッシュの後は、線維芽細胞は通常、速度を落としてECMを作ることにシフトするんだ。
線維芽細胞の研究の重要性
心臓線維芽細胞を研究することで、科学者たちは心臓が傷やストレスにどう反応するかをもっと理解できるんだ。研究によると、線維芽細胞の活動を制御することが、過剰な線維症を減らしたり、心臓発作の後の心機能を改善する方法かもしれないんだ。
研究者が心臓線維芽細胞をどう研究しているか
線維芽細胞が時間とともにどう変わるかを研究するために、研究者たちはよく幹細胞、特に誘導多能性幹細胞(iPSCs)を使うんだ。これらの幹細胞を実験室で心臓線維芽細胞に変えることで、活性化やマイオ線維芽細胞形成の過程で起こる細胞の変化を観察できるんだ。
iPSCsから心臓線維芽細胞への分化
iPSCsを心臓線維芽細胞に変えるには、通常一連のステップがあるんだ。最初に、科学者たちは特定の化学物質を使って幹細胞を心臓前駆細胞に導くんだ。これらの前駆細胞が形成されたら、次は追加の成長因子で処理して機能的な心臓線維芽細胞に変えるんだ。
線維芽細胞のパッセージング
実験中、研究者たちはしばしば線維芽細胞のパッセージングを行うんだ。つまり、新しい成長面に移して成長を続けさせるってこと。これが彼らの行動に変化を引き起こすことがあるんだ。線維芽細胞が複数回のパッセージを経ると、より活性化されてマイオ線維芽細胞の特性を持つようになるんだ。これは、心臓の癒しの過程を模倣するので重要なんだよ。
パッセージング中の観察
研究によると、線維芽細胞がいくつかの回数パッセージされると、マイオ線維芽細胞になってることを示すマーカーを表現し始めるんだ。例えば、活性化を示すたんぱく質、α-SMAが目立つようになるんだ。この変化は、心臓の線維症をより効果的に研究するために重要なんだ。
TGFβ1が線維芽細胞活性化に与える影響
TGFβ1は、線維芽細胞の行動に影響を与える重要なシグナルの一つなんだ。線維芽細胞がTGFβ1にさらされると、彼らは急速に変化を始めるんだ。これにはより活性な状態を採ることや、ECMたんぱく質の生産を増やすことが含まれるんだ。これが、研究者が線維芽細胞の活動を制御しようとする際の重要なターゲットになるんだよ。
活性化された線維芽細胞のプロテオミクスの変化
活性化中の線維芽細胞に存在するたんぱく質を研究すると、休んでいる細胞と活性化された細胞の間で明確な違いが見つかることが多いんだ。線維芽細胞がマイオ線維芽細胞になると、特定のたんぱく質のレベルが大幅に上昇して、新しい瘢痕形成やECM再構築における役割を示すんだ。
活性化中の代謝の変化
線維芽細胞の活性化のもう一つの重要な側面は、彼らの代謝なんだ。活性化された線維芽細胞は、エネルギーの生産方法を変えることが多くて、ミトコンドリアプロセスにもっと依存するようになるんだ。このシフトは、細胞成長やECM生産の増えた要求を支えるんだよ。
発見のまとめ
転写的、プロテオミクス的、代謝的な研究の組み合わせは、線維芽細胞が活性化中に大きく変化することを示唆してるんだ。これらの変化を理解することは、心臓の修復のプロセスや、傷害後の心臓の健康を改善するための治療法の開発に役立つんだ。
未来の方向性
研究は、心臓の傷害に対する線維芽細胞の反応を解明し続けるんだ。線維芽細胞の活性化や行動のメカニズムに焦点を当てることで、科学者たちは線維症に関わる心臓病の治療のための新しい戦略を開発することを目指してるんだ。これがいろんな心臓のダメージを受けてる患者にとって、改善につながるかもしれないんだ。
結論
心臓の傷害中の心臓線維芽細胞の変化は複雑だけど、適切な癒しには欠かせないんだ。これらの細胞がどう動作して、TGFβ1みたいなシグナルにどう反応するかを理解することで、将来の心臓病のためのより良い治療法を作る手助けになるんだ。これに関する研究を続けることは、心臓を守り、傷からの回復を改善する新しい方法を開発するために重要なんだよ。
タイトル: Molecular and metabolomic characterization of hiPSC-derived cardiac fibroblasts transitioning to myofibroblasts
概要: 1.Mechanical stress and pathological signaling trigger the activation of fibroblasts to myofibroblasts, which impacts extracellular matrixcomposition, disrupts normal wound healing,andcan generate deleterious fibrosis (Bohl et al., 2008; Sutton and Sharpe, 2000). Myocardial fibrosis independently promotes cardiac arrhythmias, sudden cardiac arrest, and contributes to the severity of heart failure (Frangogiannis, 2021). Fibrosis can also alter cell-to-cell communication and increase myocardial stiffness which eventually may lead to lusitropic and inotropic cardiac dysfunction (PMID: 33135058). Human induced pluripotent stem cell derived cardiac fibroblasts (hiPSC-CFs) have the potential to enhance clinical relevance in precision disease modeling by facilitating the study of patient-specific phenotypes. However, it is unclear whether hiPSC-CFs can be activated to become myofibroblasts akin to primary cells, and the key signaling mechanisms in this process remain unidentified. We hypothesize that the passaging of hiPSC-CFs, like primary cardiac fibroblasts, induces specific genes required for myofibroblast activation and increased mitochondrial metabolism. Passaging of hiPSC-CFs from passage 0 to 3 (P0 to P3) and treatment of P0 with TGF{beta}1 was associated with a gradual induction of genes to initiate the activation of these cells to myofibroblasts, including collagen, periostin, fibronectin, and collagen fiber processing enzymes with concomitant downregulation of cellular proliferation markers. Most importantly, canonical TGF{beta}1 and Hippo signaling component genes including TAZ were influenced by passaging hiPSC-CFs. Seahorse assay revealed that passaging and TGF{beta}1 treatment increased mitochondrial respiration, consistent with fibroblast activation requiring increased energy production, whereas treatment with the glutaminolysis inhibitor BPTES completely attenuated this process. Based on these data, the hiPSC-CF passaging enhanced fibroblast activation, activated fibrotic signaling pathways, and enhanced mitochondrial metabolism approximating what has been reported in primary cardiac fibroblasts. Thus, hiPSC-CFs may provide an accurate in vitro preclinical model for the cardiac fibrotic condition, which may facilitate the identification of putative anti-fibrotic therapies, including patient-specific approaches. HighlightsO_LIPassaging promotes the activation of fibroblasts to myofibroblasts. C_LIO_LITGF{beta}1 treatment activates the fibroblasts, but their expression profile was uniquely different from myofibroblasts. C_LIO_LIHigh energy requiring fibroblast activation is dependent on glutaminase-based mitochondrial metabolism. C_LIO_LIPassaging induces TGF{beta}1 and Hippo signaling pathways in activated fibroblasts and myofibroblasts. C_LI Graphical Abstract CaptionProbing the activation of fibroblasts to myofibroblasts is key in ECM remodeling processes to avoid fibrosis-related adverse complications, and to better understand disease pathology. Here we report that passaging of hiPSC-derived cardiac fibroblasts promotes fibroblast activation along with a gradual shift in gene expression and metabolic changes towards myofibroblasts. TGF{beta}1 treatment activates non-passaged fibroblasts, but they are dissimilar to myofibroblasts. The energy-intensive fibroblast to myofibroblast activation process is dependent on glutaminase-mediated mitochondrial metabolism and is prevented by treatment with GLS-1 inhibitor BPTES. Our work demonstrates that hiPSC-CFs can offer a preclinical model analogous to primary cardiac fibroblasts that is comparable with passage-mediated myofibroblast activation and increased mitochondrial metabolism. hiPSC-CFs may also facilitate patient-specific novel anti-fibrosis drug screening and disease management. O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=200 HEIGHT=154 SRC="FIGDIR/small/561455v2_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (33K): [email protected]@1abea35org.highwire.dtl.DTLVardef@19d7bfborg.highwire.dtl.DTLVardef@369e9e_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG C_FIG
著者: Glen F Tibbits, R. Nagalingam, F. Jayousi, H. Hamledari, D. Hosseini, S. Dababneh, C. Lindsay, R. Klein Geltink, P. Lange, I. M. C. Dixon, R. A. Rose, M. P. Czubryt
最終更新: 2024-06-10 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.08.561455
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.08.561455.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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