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

Het menselijk hart is een onvermoeibare pomp, een spier die ongeveer honderdduizend keer per dag slaat zonder rust. Om dit ritme aan te houden, vertrouwt het hart op een complexe interne machinerie van eiwitten die samentrekken, signalen doorgeven en energie genereren. Wanneer wetenschappers nieuwe medicijnen willen testen of hartziekten willen begrijpen, wenden zij zich vaak tot gegengineered hartweefsels. Dit zijn kleine, driedimensionale klonten van levende hartcellen die in een laboratorium zijn gekweekt, ontworpen om het gedrag van een echt menselijk hart na te bootsen. Ze bieden een manier om te observeren hoe een medicijn de kracht van een hartslag verandert en om te zien wat er tegelijkertijd binnen de cellen gebeurt. Het is echter moeilijk geweest om de zichtbare beweging van de spier te verbinden met de onzichtbare veranderingen in de duizenden eiwitten ervan. Traditionele methoden behandelen de fysieke beweging en de moleculaire data vaak als afzonderlijke verhalen, waardoor het moeilijk is om te zien hoe ze elkaar beïnvloeden.

In een nieuwe studie pakten onderzoekers deze uitdaging aan door gegengineered hartweefsels te kweken uit menselijke stamcellen en deze te behandelen met twee zeer verschillende medicijnen: epinephrine, dat het hart harder laat slaan, en doxorubicine, een chemokuur die bekend staat om het verzwakken van het hart. Ze maten de kracht van de hartslag en analyseerden vervolgens de eiwitten in het weefsel om te zien hoe de cellen reageerden. Om de enorme hoeveelheid data begrijpelijk te maken, gebruikte het team een wiskundige benadering genaamd topologische data-analyse. In plaats van de data in eenvoudige grafieken te dwingen, kijkt deze methode naar de algemene vorm en de verbindingen binnen de informatie, waardoor de onderzoekers in staat zijn de relatie tussen het medicijn, de kracht van de spier en de eiwitveranderingen in één keer in kaart te brengen.

Het experiment begon met een partij menselijke hartcellen die in een laboratorium werden gekweekt totdat ze kleine, kloppende weefsels vormden. De onderzoekers verdeelden deze weefsels in groepen. Sommige werden met rust gelaten, sommige ontvingen een onschadelijk oplosmiddel, één groep ontving epinephrine, en een andere groep ontving doxorubicine. Na vierentwintig uur maten ze hoe hard elk weefsel samentrok. Zoals verwacht, knepen de weefsels die met epinephrine waren behandeld met meer kracht samen, terwijl de weefsels die met doxorubicine waren behandeld, zwakker werden. Onmiddellijk na het meten van deze kracht vroren de onderzoekers de weefsels in om een momentopname van hun eiwitten vast te leggen. Ze identificeerden meer dan zeven duizend verschillende eiwitgroepen in elke monster, wat een gedetailleerde moleculaire kaart vormde van wat er binnen de cellen gebeurde.

Om te begrijpen hoe deze duizenden eiwitten verband hielden met de kracht van de hartslag, bouwde het team een verenigd netwerkmodel. Stel je de data niet voor als een lijst met getallen, maar als een landschap waar elk punt een weefselmonster vertegenwoordigt. In dit landschap plaatsten de onderzoekers de monsters op basis van hun eiwitniveaus en hun hartslagsterkte. Dit creëerde een verbonden kaart waarbij weefsels met vergelijkbaar gedrag en moleculaire profielen bij elkaar klonterden. De kaart scheidde de weefsels duidelijk op basis van het medicijn dat ze hadden ontvangen. De weefsels die met epinephrine waren behandeld, verzamelden zich in één gebied, gekenmerkt door een hoge kracht, terwijl de met doxorubicine behandelde weefsels zich in een totaal ander gebied verzamelden, gemarkeerd door een lage kracht. De onbehandelde weefsels bevonden zich in het midden, wat liet zien dat de medicijnen de hartcellen in afzonderlijke moleculaire toestanden hadden geduwd.

Door de verbindingen in deze kaart te onderzoeken, ontdekten de onderzoekers welke specifieke eiwitten deze veranderingen aanstuurden. Ze vonden dat de eiwitten die geassocieerd zijn met een sterke hartslag, zoals te zien bij epinephrine, nauw verbonden zijn met de energieproductie en de machinerie die nieuwe eiwitten bouwt in de energiefabrieken van de cel, ook wel mitochondriën genoemd. In contrast hiermee vertoonden de eiwitten die veranderden wanneer het hart werd verzwakt door doxorubicine een bijna tegengesteld patroon. De medicijnen veroorzaakten een omkering in de manier waarop deze energie- en eiwitbouwprocessen geassocieerd waren met de hartfunctie. Terwijl het positieve medicijn de link tussen energieproductie en spierkracht versterkte, verstoorde het negatieve medicijn deze link, wat suggereert dat het vermogen van het hart om te samentrekken diep geworteld is in hoe goed het zijn energie beheert en zijn interne eiwitbalans handhaaft.

De studie bewees niet dat deze eiwitveranderingen de hartslag harder of zwakker maakten, maar het toonde een sterke, directe associatie tussen hen aan. De onderzoekers merkten op dat het simpelweg zien van een eiwitverandering niet betekent dat het eiwit actiever is; het betekent alleen dat het in verschillende hoeveelheden aanwezig is. Echter, de duidelijkheid van het patroon suggereert dat energiehomeostase en mitochondriale gezondheid centraal staan in hoe het hart op medicijnen reageert. Deze nieuwe manier van kijken naar data, die de fysieke functie en de moleculaire samenstelling als één samenhangend systeem behandelt, biedt een krachtig hulpmiddel om complexe biologische reacties te begrijpen. Het stelt wetenschappers in staat om het grote plaatje te zien van hoe een medicijn een levend weefsel verandert, waarbij zij verder gaan dan geïsoleerde feiten om het systeem als geheel te begrijpen. Deze benadering zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van betere medicijnen en het begrijpen van hartziekten door de verborgen moleculaire verhalen achter de hartslag te onthullen.