Heterogeniteit en plasticiteit van cardiale fibroblasten

Wereldwijd neemt de mortaliteit en morbiditeit toe door een stijging in aantal patiënten met cardiovasculaire aandoeningen. Hierbij speel interstitiële fibrose een belangrijke rol die een negatieve impact heeft op de systolische en diastolische functie van het hart. De huidige voorschriften ter behandeling van chronisch hartfalen bevorderen de levenskwaliteit van de patiënt maar zijn niet gericht op het tot stilstand brengen van de verdere ontwikkeling van fibrose of op de verslechtering van de hartfunctie naar het eindstadium van hartfalen. Het doel van deze doctoraatsthesis is om de pathofysiologische rol van hartfibroblasten te bestuderen tijdens matrix- en hartspiercelremodelering.

In de eerste studie hebben we aangetoond dat er een brede waaier van fibroblastfenotypes bestaan die een hoge graad van plasticiteit vertonen. Deze fenotypes omvatten voornamelijk fibroblasten, prolifererende myofibroblasten en niet-prolifererende myofibroblasten.  Deze plasticiteit in fenotypes wordt voornamelijk bepaald door de aanwezigheid van mechanische stress en de groeifactor TGF-β1 die als een synergistisch geheel samenwerken (Hoofdstuk 3). Uit deze studie blijkt dat prolifererende myofibroblasten de capaciteit hebben om terug te keren naar het niet veranderde “gezonde” fibroblastfenotype terwijl  de niet-prolifererende myofibroblasten deze eigenschap ontbreken. De reversibiliteit van het prolifererende myofibroblastfenotype zou daarom ook een uitstekende kandidaat zijn voor toekomstige therapie gericht op interstitiële fibrose.

In de tweede studie (Hoofdstuk 4) hebben we de aanwezigheid vastgesteld van een heterogene populatie van fibroblastfenotypes bij een groot proefdiermodel met ischemische cardiomyopathie en dit tijdens de beginfase van matrixremodelering. Na het ontstaan van een myocardinfarct treedt er fibroblastdifferentiatie op in de infarctzone maar ook in de regio’s naast en ver verwijderd van het infarct. De fibroblasten van deze 3 regio’s kunnen op transcriptoomniveau onderscheiden worden van elkaar op basis van hun differentieel genexpressiepatroon. Differentiatie van fibroblasten wordt bevorderd door de aanwezigheid van hemodynamische load en TGF-β1. Hemodynamische load was enkel toegenomen in de regio naast het infarct terwijl TGF-β1 prominent aanwezig was in alle drie regio’s. Interstitiële fibrose en cross-linking van collageen was echter niet alleen toegenomen in de infarctregio maar ook in de regio naast het infarct. Deze observatie bevestigt de heterogene rol van fibroblasten na het ontstaan van een infarct. De identificatie van moleculaire signalen die een onderscheid maken tussen myofibroblasten van het littekenweefsel en deze van het interstitium kunnen leiden tot het ontwikkelen van een nieuwe lijn geneesmiddelen die de reversibiliteit van interstitiële myofibroblasten induceert zonder deze te beïnvloeden in het littekenweefsel.

In de derde studie (Hoofdstuk 5) tonen we aan dat bij voorkeur prolifererende en niet- prolifererende myofibroblasten een functionele koppeling aangaan met volwassen hartspiercellen uit het varken in een 2-dimensionele co-cultuur omgeving. Iedere fibroblastfenotype veroorzaakt celdood van hartspiercellen in zowel een 2-D kweekomgeving als in een paracriene co-cultuur. Het electrofysiologisch profiel van de hartspiercel was ongewijzigd in de paracriene co-cultuur. Echter, myofibroblasten die functioneel gekoppeld waren aan hartspiercellen bleken in staat om de RMP en ADP90 van de hartspiercel te veranderen.

In de laatste studie (Hoofdstuk 6) hebben we de fibroblastpopulaties bestudeerd die aanwezig zijn tijdens het eindstadium van hartfalen bij de mens en meer specifiek in patiënten met ischemische en gedilateerde cardiomyopathie. Niet geschikte donorharten voor transplantatie zijn gebruikt voor het isoleren van normale onveranderde fibroblasten als controle bij de verscheidene experimenten. De fibroblasten geïsoleerd uit stalen van hartfalenpatiënten hebben in tegenstelling tot deze uit gezonde patiënten hun proliferatiecapaciteit verloren in celkweek. We hebben in celkweek ook aangetoond dat een subpopulatie van myofibroblasten de capaciteit heeft om terug te keren naar een minder gedifferentieerd fenotype door inhibitie van de TGF-β1 signaalpathway. De gededifferentieerde myofibroblasten uit hartfalenpatiënten vertoonden een afname in expressie van pro-fibrotische genen en gedroegen zich functioneel gelijkaardig als gezonde normale fibroblasten. Als conclusie kunnen we stellen dat er een hoge variatie bestaat in fibroblastfenotypes tijdens hartspierweefselremodelering en dat deze functioneel verschillend zijn van elkaar. We hebben vervolgens de fenotypes geïdentificeerd die het potentieel hebben voor reversibiliteit in fibroblastdifferentiatie. Deze bevindingen kunnen leiden tot een alternatieve strategie in anti-fibrotische therapie.