Esta imagen del Atlas de células cardíacas muestra seis regiones cardíacas (aurículas y ventrículos izquierdos y derechos, ápice y tabique interventricular). La codificación de colores se utiliza para indicar los tipos de células. Crédito: www.heartcellatlas.org
Los científicos han creado un mapa celular y molecular detallado del corazón humano sano para comprender cómo funciona este órgano vital y arrojar luz sobre lo que sale mal en las enfermedades cardiovasculares.
El trabajo, publicado en Naturaleza hoy (24 de septiembre de 2020) fue dirigido por investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard, el Hospital Brigham and Women’s, el Instituto Wellcome Sanger, el Centro Max Delbrück de Medicina Molecular (MDC) en Alemania, Colegio Imperial de Londresy sus colaboradores globales.
El equipo analizó casi medio millón de células individuales para construir el atlas celular más extenso del corazón humano hasta la fecha. El atlas muestra la enorme diversidad de células y revela los tipos de células del músculo cardíaco, las células inmunitarias protectoras cardíacas y una intrincada red de vasos sanguíneos. También predice cómo se comunican las células para mantener el corazón funcionando.
La investigación es parte de la iniciativa Human Cell Atlas para mapear cada tipo de célula en el cuerpo humano. El nuevo conocimiento molecular y celular del corazón promete permitir una mejor comprensión de las enfermedades cardíacas y guiar el desarrollo de tratamientos altamente individualizados.
El trabajo también prepara el terreno para las terapias basadas en la medicina regenerativa en el futuro, dijeron los investigadores.
En estas células cardíacas humanas que laten, los científicos han destacado una proteína importante en la contracción muscular (verde). Un nuevo atlas de células revela esta proteína y otras en diferentes ubicaciones de las células del corazón. Crédito: Laboratorio Seidman
A lo largo de la vida, el corazón humano promedio entrega más de 2 mil millones de latidos al cuerpo. Al hacerlo, ayuda a transportar oxígeno y nutrientes a las células, tejidos y órganos y permite la eliminación de dióxido de carbono y productos de desecho. Cada día, el corazón late alrededor de 100,000 veces con un flujo unidireccional a través de cuatro cámaras diferentes, variando la velocidad con el descanso, el ejercicio y el estrés. Cada latido requiere una sincronización exquisitamente compleja pero perfecta entre varias células en diferentes partes del corazón. Cuando esta compleja coordinación se deteriora, puede resultar en una enfermedad cardiovascular, la principal causa de muerte en todo el mundo, matando a aproximadamente 17,9 millones de personas cada año.
Detallar los procesos moleculares dentro de las células de un corazón sano es fundamental para comprender cómo las cosas salen mal en las enfermedades cardíacas. Este conocimiento puede conducir a estrategias de tratamiento mejores y más precisas para diversas formas de enfermedad cardiovascular.
“Millones de personas se están sometiendo a tratamientos para enfermedades cardiovasculares. Comprender el corazón sano nos ayudará a comprender las interacciones entre los tipos de células y los estados celulares que pueden permitir una función de por vida y cómo estos difieren en las enfermedades ”, dijo la coautora principal del estudio Christine Seidman, profesora de medicina en el Instituto Blavatnik de la Facultad de Medicina de Harvard y una genetista cardiovascular en Brigham and Women’s.
“En última instancia, estos conocimientos fundamentales pueden sugerir objetivos específicos que pueden conducir a terapias individualizadas en el futuro, creando medicamentos personalizados para enfermedades cardíacas y mejorando la efectividad de los tratamientos para cada paciente”, dijo Seidman.
Esto es lo que los investigadores se propusieron hacer en el nuevo estudio.
El equipo estudió cerca de 500.000 células individuales y núcleos celulares de seis regiones diferentes del corazón obtenidas de 14 donantes de órganos cuyos corazones estaban sanos pero no eran aptos para trasplantes.
Usando una combinación de análisis de una sola célula, aprendizaje automático y técnicas de imágenes, el equipo pudo ver exactamente qué genes se activaban y desactivaban en cada célula.
Los investigadores descubrieron diferencias importantes en las células de diferentes áreas del corazón. También observaron que cada área del corazón tenía subconjuntos específicos de células, un hallazgo que apunta a diferentes orígenes del desarrollo y sugiere que estas células responderían de manera diferente a los tratamientos.
“Este proyecto marca el comienzo de nuevos conocimientos sobre cómo se construye el corazón a partir de células individuales, muchas con diferentes estados celulares”, dijo el coautor del estudio, Daniel Reichart, investigador en genética de la Facultad de Medicina de Harvard. “Con el conocimiento de las diferencias regionales en todo el corazón, podemos comenzar a considerar los efectos de la edad, el ejercicio y las enfermedades y ayudar a impulsar el campo de la cardiología hacia la era de la medicina de precisión”.
“Esta es la primera vez que alguien ha observado las células individuales del corazón humano a esta escala, lo que solo ha sido posible con la secuenciación de células individuales a gran escala”, dijo Norbert Hübner, coautor principal y profesor del Centro Max Delbrück. para Medicina Molecular. “Este estudio muestra el poder de la genómica unicelular y la colaboración internacional”, agregó. “El conocimiento de la gama completa de células cardíacas y su actividad genética es una necesidad fundamental para comprender cómo funciona el corazón y comenzar a desentrañar cómo responde al estrés y la enfermedad”.
Como parte de este estudio, los investigadores también observaron los vasos sanguíneos que atraviesan el corazón con un detalle sin precedentes. El atlas mostró cómo las células en estas venas y arterias se adaptan a las diferentes presiones y ubicaciones y cómo esto podría ayudar a los investigadores a comprender qué es lo que falla en los vasos sanguíneos durante la enfermedad coronaria.
“Nuestro esfuerzo internacional proporciona un conjunto invaluable de información a la comunidad científica al iluminar los detalles celulares y moleculares de las células cardíacas que trabajan juntas para bombear sangre por todo el cuerpo”, dijo la coautora principal Michela Noseda del Imperial College de Londres. “Trazamos un mapa de las células cardíacas que pueden ser potencialmente infectadas por SARS-CoV-2 y descubrió que las células especializadas de los vasos sanguíneos pequeños también son objetivos de los virus ”, dijo. “Nuestros conjuntos de datos son una mina de oro de información para comprender las sutilezas de las enfermedades cardíacas”.
Los investigadores también se enfocaron en comprender la reparación cardíaca, observar cómo las células inmunes interactúan y se comunican con otras células en el corazón sano y en qué se diferencia del músculo esquelético.
La investigación adicional incluirá investigar si se podría inducir a las células del corazón a repararse a sí mismas.
“Este gran esfuerzo de colaboración es parte de la iniciativa global Human Cell Atlas para crear un ‘mapa de Google’ del cuerpo humano”, dijo Sarah Teichmann del Wellcome Sanger Institute, coautora principal del estudio y copresidenta de Human Comité Organizador de Cell Atlas.
“Abierto a los investigadores de todo el mundo, Heart Cell Atlas es un recurso fantástico, que conducirá a una nueva comprensión de la salud y las enfermedades del corazón, a nuevos tratamientos y, potencialmente, incluso a encontrar formas de regenerar el tejido cardíaco dañado”, dijo.
Referencia: 24 de septiembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2797-4
Este estudio fue financiado por la British Heart Foundation, el Consejo Europeo de Investigación, el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, Deutsches Zentrum für Herz-Kreislaufforschung eV, Leducq Fondation, German Research Foundation, Chinese Council Scholarship, Alexander von Humboldt Foundation, EMBO, Institutos Canadienses de Investigación en Salud, Fundación del Corazón y Accidentes Cerebrovasculares de Canadá, Alberta Innovates, Iniciativa Chan Zuckerberg, Instituto Wellcome Sanger, Wellcome, Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. E Instituto Médico Howard Hughes.
Jonathan Seidman, profesor de genética de la Fundación Henrietta B. y Frederick H. Bugher en el Instituto Blavatnik del HMS, también es coautor principal. Monika Litvi? Uková y Carlos Talavera-López del Instituto Sanger y Henrike Maatz del Centro Max Delbrück son co-primeros autores con Daniel Reichart.
