Un tissu cardiaque humain modifié montre aux chercheurs les mécanismes de la tachycardie

La fréquence cardiaque est plus facile à surveiller aujourd’hui que jamais. Grâce aux montres intelligentes capables de détecter le pouls, il suffit d’un simple mouvement du poignet pour vérifier votre cœur. Mais surveiller les cellules responsables de la fréquence cardiaque est beaucoup plus difficile et cela encourage les chercheurs à inventer de nouvelles façons de les analyser.

Joseph Wu, MD, Ph.D., directeur du Stanford Cardiovascular Institute et professeur de médecine et de radiologie, a conçu un nouveau modèle de tissu cardiaque dérivé de cellules souches qui donne un aperçu des conditions qui surviennent lorsque les cellules cardiaques s'éteignent. contrôle. En particulier, Wu étudie un trouble appelé tachycardie, qui augmente la fréquence cardiaque et peut conduire à une cardiomyopathie, dans laquelle le cœur perd sa capacité à pomper suffisamment le sang chez les personnes ayant des structures cardiaques par ailleurs saines.

“La tachycardie est probablement plus courante qu'on ne le pense”, a déclaré Chengyi Tu, Ph.D., chercheur postdoctoral, qui a contribué à diriger les travaux. “On pense qu'elle est sous-diagnostiquée, car une augmentation de la fréquence cardiaque est assez courante dans différents types de maladies cardiaques et elle est masquée.”

Pour étudier la cardiomyopathie induite par la tachycardie, les chercheurs ont conçu des cellules cardiaques à partir de cellules souches humaines pour découvrir comment le moteur de notre corps fonctionne lorsqu'il est en surmultiplication.

“La modélisation de la cardiomyopathie induite par la tachycardie avec des tissus cardiaques dérivés de cellules souches humaines nous permet de mieux comprendre l'impact des fréquences cardiaques rapides sur notre corps”, a déclaré Wu, Simon H. Stertzer, MD, professeur et auteur principal de l'étude. . Il a été publié le 27 novembre dans Génie biomédical naturel. Tu est l'auteur principal.

Ingénierie des cellules cardiaques

Contrairement à la plupart des types de tissus organiques, les cellules cardiaques sont extrêmement difficiles à cultiver en laboratoire. Les cellules cardiaques des patients cultivées dans une boîte ont tendance à se dédifférencier – ou à perdre leur fonction principale et à ne plus battre.

“Idéalement, vous souhaitez prélever des échantillons du cœur d'un patient juste après le diagnostic de la maladie, pendant la maladie et après le traitement”, a déclaré Tu. “Pour valider votre découverte, vous avez besoin de beaucoup de répétitions pour vous donner une puissance statistique, mais cliniquement, il est impossible d'échantillonner aussi fréquemment.”

Compte tenu de la pénurie de tissus, Wu et ses collègues ont cultivé plus de 400 échantillons de tissus cardiaques à partir de cellules souches pour étudier le fonctionnement des cellules cardiaques, un processus qui a duré plus de quatre ans.

“La création de tissus cardiaques modifiés est très différente de la culture de cellules dans une boîte. Le délai est très long”, a déclaré Tu. La génération de cellules cardiaques à partir de cellules souches prend environ deux semaines ; les assembler dans un tissu 3D et les faire mûrir prend près de deux mois.

Rétablir l'équilibre chimique

À l’aide d’une chambre filaire, les chercheurs ont stimulé électriquement les cellules, induisant une tachycardie. Ils ont testé si les cellules pouvaient se remettre d’une tachycardie en 10 jours. Au cours des cinq premiers jours, la capacité des cellules à se contracter a continuellement diminué jusqu'à environ 50 % de leur fonction normale. Mais une fois que les chercheurs ont arrêté la stimulation électrique, les cellules se sont complètement rétablies en cinq jours.

Cela correspond à ce que les médecins savent déjà sur la cardiomyopathie induite par la tachycardie : elle est en grande partie réversible. Lorsque la fréquence cardiaque d’une personne ralentit, la fonction de son tissu cardiaque revient à la normale.

Dans une autre expérience, les chercheurs ont induit une tachycardie dans un groupe différent de tissu cardiaque modifié. Ensuite, après avoir arrêté la stimulation, l’équipe a complété les tissus avec du NAD – une molécule qui soutient les réactions énergétiques – et a vu la fonction des cellules cardiaques se rétablir plus rapidement. Les tissus supplémentés avaient récupéré 83 % de leur fonction initiale dès le premier jour, tandis que le groupe non traité présentait peu d'amélioration.

Pour valider leurs résultats, l’équipe a comparé les tissus cardiaques modifiés avec des données cliniques humaines et des données de modèles canins. “J'ai été surpris de voir à quel point les tissus cardiaques artificiels imitent les vrais cœurs humains”, a déclaré Tu.

Découvrir l’interrupteur moléculaire

Pendant la tachycardie, le cœur peut avoir du mal à pomper le sang vers le reste du corps, car la fréquence cardiaque rapide empêche les cavités cardiaques de se remplir et de se contracter complètement. Si cela persiste pendant plusieurs jours ou semaines, ce qui peut arriver dans les cas graves, les vaisseaux sanguins cessent de fournir suffisamment d'oxygène au tissu cardiaque et au reste du corps.

Lorsqu’il bat normalement, le cœur utilise les graisses comme source d’énergie, mais leur décomposition nécessite beaucoup d’oxygène. Sans oxygène, la source de carburant du cœur se transforme en sucre dans un processus appelé recâblage métabolique. Le changement de carburant et l’hypoxie, ou manque d’oxygène, contribuent à une diminution du rapport NAD/NADH, un duo chimique vital qui aide à maintenir la fonction d’une protéine du tissu cardiaque connue sous le nom de SERCA.

“Différents niveaux de protéine SERCA agissent comme une pédale d'accélérateur et de frein pour une voiture”, a déclaré Tu. Lorsque les chercheurs augmentent la quantité de NAD, la pédale d'accélérateur du cœur est poussée et la protéine SERCA renforce le rythme cardiaque des cellules modifiées. Lorsqu’ils diminuent, les tissus cardiaques artificiels freinent, les faisant battre plus faiblement.

En administrant du NAD aux patients par le biais d'un supplément disponible dans le commerce ou par injection IV, les cliniciens pensent pouvoir rétablir l'équilibre chimique et accélérer le rétablissement du patient.

Parallèlement à un nouveau supplément possible pour aider les patients à se rétablir d'une tachycardie, la recherche démontre l'importance de nouvelles méthodes pour modéliser la maladie. L’année dernière, le président Joe Biden a promulgué la FDA Modernization Act 2.0, qui a supprimé l’exigence de tests sur les animaux avant les essais de médicaments sur l’homme.

“Maintenant, il y a davantage besoin de modèles non animaux pour compléter les modèles animaux”, a déclaré Tu. “Ce travail prouve qu'il est possible de modéliser des affections cardiaques complexes à l'aide d'un modèle universel non animal pour étudier cette maladie et tester des thérapies possibles.”