Proteome modulation by opposite inotropic drugs in human engineered cardiac tissue revealed by topology-driven cross-modal integration

Das menschliche Herz ist eine unermüdliche Pumpe, ein Muskel, der etwa einhunderttausend Mal am Tag ohne Pause schlägt. Um diesen Rhythmus aufrechtzuerhalten, verlässt sich das Herz auf eine komplexe interne Maschinerie aus Proteinen, die kontrahieren, Signale senden und Energie erzeugen. Wenn Wissenschaftler neue Medikamente testen oder Herzkrankheiten verstehen wollen, wenden sie sich oft an künstlich hergestelltes Herzgewebe. Dabei handelt es sich um kleine, dreidimensionale Klumpen lebender Herzzellen, die im Labor gezüchtet wurden und darauf ausgelegt sind, das Verhalten eines echten menschlichen Herzens nachzuahmen. Sie bieten eine Möglichkeit zu beobachten, wie ein Medikament die Stärke eines Herzschlags verändert, und gleichzeitig zu sehen, was innerhalb der Zellen geschieht. Es war jedoch schwierig, die sichtbare Bewegung des Muskels mit den unsichtbaren Veränderungen seiner tausenden Proteine zu verknüpfen. Traditionelle Methoden behandeln die physische Bewegung und die molekularen Daten oft als getrennte Geschichten, was es erschwert zu sehen, wie sie einander beeinflussen.

In einer neuen Studie gingen Forscher diese Herausforderung an, indem sie künstliches Herzgewebe aus menschlichen Stammzellen züchteten und dieses mit zwei sehr unterschiedlichen Medikamenten behandelten: Epinephrin, das das Herz stärker schlagen lässt, und Doxorubicin, ein Chemotherapie-Medikament, das dafür bekannt ist, das Herz zu schwächen. Sie maßen die Kraft des Herzschlags und analysierten anschließend die Proteine innerhalb des Gewebes, um zu sehen, wie die Zellen reagierten. Um die gewaltige Menge an Daten sinnvoll zu interpretieren, nutzte das Team einen mathematischen Ansatz namens topologische Datenanalyse. Anstatt die Daten in einfache Diagramme zu pressen, betrachtet diese Methode die allgemeine Form und die Verbindungen innerhalb der Informationen, was es den Forschern ermöglicht, die Beziehung zwischen dem Medikament, der Stärke des Herzmuskels und den Proteinveränderungen gleichzeitig abzubilden.

Das Experiment begann mit einer Charge menschlicher Herzzellen, die im Labor gezüchtet wurden, bis sie winzige, schlagende Gewebe bildeten. Die Forscher unterteilten diese Gewebe in Gruppen. Einige wurden allein gelassen, einige erhielten ein harmloses Lösungsmittel, eine Gruppe erhielt Epinephrin und eine weitere Gruppe erhielt Doxorubicin. Nach vierundzwanzig Stunden maßen sie, wie stark jedes Gewebe kontrahierte. Wie erwartet kontrahierten die mit Epinephrin behandelten Gewebe mit mehr Kraft, während die mit Doxorubicin behandelten Gewebe schwächer wurden. Unmittelbar nach der Messung dieser Kraft frierten die Forscher die Gewebe ein, um eine Momentaufnahme ihrer Proteine zu erfassen. Sie identifizierten über siebentausend verschiedene Proteingruppen in jeder Probe und erstellten so eine detaillierte molekulare Karte dessen, was im Inneren der Zellen geschah.

Um zu verstehen, wie diese tausenden Proteine mit der Stärke des Herzschlags zusammenhingen, erstellte das Team ein vereinheitlichtes Netzwerkmodell. Stellen Sie sich die Daten nicht als eine Liste von Zahlen vor, sondern als eine Landschaft, in der jeder Punkt eine Gewebeprobe darstellt. In dieser Landschaft platzierten die Forscher die Proben basierend auf ihren Proteinwerten und ihrer Schlagstärke. Dies schuf eine verbundene Karte, auf der Gewebe mit ähnlichem Verhalten und ähnlichen molekularen Profilen zusammen gruppiert wurden. Die Karte trennte die Gewebe deutlich basierend auf dem erhaltenen Medikament. Die mit Epinephrin behandelten Gewebe sammelten sich in einem Bereich, der durch hohe Kraft gekennzeichnet war, während die mit Doxorubicin behandelten Gewebe sich in einem völlig anderen Bereich sammelten, der durch geringe Kraft markiert war. Die unbehandelten Gewebe befanden sich in der Mitte und zeigten, dass die Medikamente die Herzzellen in unterschiedliche molekulare Zustände versetzt hatten.

Durch die Untersuchung der Verbindungen in dieser Karte entdeckten die Forscher, welche spezifischen Proteine diese Veränderungen vorantrieben. Sie fanden heraus, dass die Proteine, die mit einem starken Herzschlag assoziiert sind, wie sie bei Epinephrin beobachtet wurden, eng mit der Energiegewinnung und der Maschinerie verknüpft sind, die neue Proteine in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien, aufbaut. Im Gegensatz dazu zeigten die Proteine, die sich änderten, wenn das Herz durch Doxorubicin geschwächt wurde, ein nahezu entgegengesetztes Muster. Die Medikamente verursachten eine Umkehrung der Art und Weise, wie diese Energie- und Proteinaufbauprozesse mit der Herzfunktion assoziiert waren. Während das positive Medikament die Verbindung zwischen der Energiegewinnung und der Muskelkraft stärkte, störte das negative Medikament diese Verbindung, was darauf hindeutet, dass die Fähigkeit des Herzens zu kontrahieren tief mit der Frage verknüpft ist, wie gut es seine Energie verwaltet und sein internes Proteingleichgewicht aufrechterhält.

Die Studie bewies nicht, dass diese Proteinveränderungen das Herz stärker oder schwächer schlagen ließen, aber sie zeigte eine starke, direkte Assoziation zwischen ihnen. Die Forscher merkten an, dass das bloße Sehen einer Proteinveränderung nicht bedeutet, dass das Protein aktiver ist, sondern lediglich, dass es in unterschiedlichen Mengen vorhanden ist. Die Klarheit des Musters deutet jedoch darauf hin, dass die Energiehomöostase und die mitochondriale Gesundheit zentral dafür sind, wie das Herz auf Medikamente reagiert. Diese neue Art, Daten zu betrachten, die die physische Funktion und die molekulare Zusammensetzung als ein einziges, miteinander verbundenes System behandelt, bietet ein leistungsstarkes Werkzeug, um komplexe biologische Reaktionen zu verstehen. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, das große Ganze zu sehen, also wie ein Medikament ein lebendes Gewebe verändert, indem sie über isolierte Fakten hinausgehen, um das System als Ganzes zu verstehen. Dieser Ansatz könnte helfen, bessere Medikamente zu entwickeln und Herzkrankheiten besser zu verstehen, indem er die verborgenen molekularen Geschichten hinter dem Schlagen des Herzens offenlegt.