Talk Your Heart Out:Unveiling the Path Between Endothelial Cells and Cardiomyocytes Communication in HFpEF

Abstract

A insuficiência cardíaca é a maior causa de hospitalização em todo o mundo. A insuficiência cardíaca com fração de ejecção preservada (ICFEP) corresponde a 50% da incidência da insuficiência cardíaca. No entanto, não há opções terapêuticas eficazes para esta patologia. O novo paradigma de ICFEP atribui um papel central à disfunção das células endoteliais microvasculares. Ao aumentar a inflamação vascular, a senescência celular surge subjacente à disfunção endotelial microvascular. Além do fenótipo secretório associado à senescência, as células senescentes dependem de gap junctions (GJ) para transmitir uma variedade de fatores de sinalização incluindo, espécies reativas de oxigênio e citocinas pró-inflamatórias que são responsáveis por manter ou induzir a senescência. No entanto, os mecanismos inerentes à disfunção endotelial associada à senescência, bem como o impacto da disfunção endotelial nos cardiomiócitos, ainda são desconhecidos. No coração, devido à proximidade física entre as células endoteliais e os cardiomiócitos, a comunicação entre estas células desempenha um papel fundamental na patofisiologia cardíaca. Em particular, vesículas extracelulares são reconhecidas como os principais agentes de comunicação intercelular entres as diferentes populações de células miocárdicas. Além disso, os cardiomiócitos por serem células pós-mitóticas, dependem de mecanismos eficientes de proteostase, que têm sido amplamente associados ao desenvolvimento de várias patologias, incluindo insuficiência cardíaca. Portanto, no contexto desta tese, pretendemos investigar a interação entre as células endoteliais senescentes e cardiomiócitos, utilizando diferentes modelos in vitro, incluindo culturas celulares primárias. Os nossos resultados mostram que os níveis de Cx43 e a comunicação intercelular mediada por GJ estão aumentados em células endoteliais senescentes. Além disso, demonstramos que vesiculas extracelulares derivadas do endotélio modulam a atividade da autofagia em cardiomiócitos, sendo dependente da subpopulação de vesiculas secretadas, quer microvesículas como pequenas vesiculas extracelulares (exossomas). Os nossos resultados demonstram pela primeira vez que microvesículas libertadas de células endoteliais senescentes afetam a função de cardiomiócitos adultos através de uma melhoria da cinética do Ca2+, melhorando a sua função diastólica.No geral, o trabalho reunido no contexto desta tese contribui para o avanço na compreensão dos mecanismos subjacentes à senescência de células endoteliais e comunicação com cardiomiócitos, dando novas perspectivas sobre a fisiopatologia desta doença.

Heart failure (HF) is the most common cause of hospitalisation in elderly patients and has been associated with significant rates of morbidity and mortality worldwide. Although heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) accounts for nearly half of HF patients, there are no efficient therapeutic options for these patients, mostly due to the lack of mechanistic evidence on the pathophysiology of this complex disease. A new paradigm of HFpEF is emerging, in which microvascular endothelial cell dysfunction has been considered a central player in the development of the disease. By increasing vascular inflammation, cellular senescence has been suggested to underlie microvascular endothelial dysfunction. Besides the senescence-associated secretory phenotype (SASP), senescent cells rely on gap junctions (GJ) to transmit a variety of signalling factors including reactive oxygen species and pro-inflammatory cytokines that are responsible maintaining or inducing senescence in an auto and/or paracrine manner. Nevertheless, the mechanisms underlying senescence-associated endothelial dysfunction are currently unknown, as well as the impact of endothelial dysfunction to the cardiomyocytes. In the heart, due to the physical proximity between endothelial cells and cardiomyocytes, the communication between these two cell types plays a crucial role in the cardiac (patho)physiology. In particular, extracellular vesicles (EVs) are recognized as major players of intercellular communication between the different cell populations within the heart. In addition, as post-mitotic cells, cardiomyocytes strongly rely on efficient proteostasis mechanisms, which have been largely associated with the development of several pathologies, namely HF.Therefore, in the context of this thesis, we intended to investigate the interplay between senescent endothelial cells and cardiomyocytes, using different in vitro models, including primary cell cultures. Our results strongly suggest that Cx43 levels and GJ-mediated intercellular communication are increased in senescent endothelial cells. Furthermore, we show that endothelial-derived EVs differentially modulate autophagy activity in target cardiomyocytes, which is dependent on the subpopulation of secreted EVs, either large microvesicles (MVs) or small EVs (exosomes). Moreover, our results show for the first time that MVs released from senescent endothelial cells affect the function of isolated adult rat cardiomyocytes through an upgrade in Ca2+ handling, thereby improving diastolic function.Overall, the work gathered in the context of this thesis constitutes a step forward to a better understanding of the mechanisms underlying endothelial cell senescence and the crosstalk with cardiomyocytes, which might give new insights into the pathophysiology of HFpEF.