31 juli 2017

Jong van hart: herstellende hartfunctie met een matrixmolecule


Fibrotic staining (blue) of control (PBS) and Agrin-treated hearts 35 days following myocardial infarction shows a reduction in fibrosis following treatment

Het geven van "jonge matrix" moleculen aan beschadigde muisharten leidde tot spierherstel

Hartziekten blijven de belangrijkste wereldwijde oorzaak van overlijden, maar de weinige beschikbare behandelingen mislukken nog steeds zodra het hartweefsel schade heeft geleden. Zoogdierharten kunnen inderdaad schade regenereren en herstellen - maar alleen tot rond de geboorte tijd. Daarna verdwijnt dat vermogen, schijnbaar voor altijd. Onderzoek bij het Weizmann Instituut voor Wetenschap heeft een molecule in pasgeboren harten ontdekt die het vernieuwingsproces lijkt te beheersen. Bij injectie in de harten van een volwassen muis die een hartaanval heeft gehad, lijkt dit molecuul, Agrin, het ‘vernieuwingsproces’ te ontgrendelen en het mogelijk te maken om de hartspier te herstellen. Deze bevindingen, die vandaag gepubliceerd worden in Nature, wijzen nu op nieuwe aanwijzingen voor onderzoek naar het herstellen van de functie van beschadigde harten.

Prof. Eldad Tzahor, die de studie samen met doktorale student Elad Bassat, onderzoeksstudent Alex Genzelinakh en andere teamleden in het Weizmann Instituut's Moleculaire Celbiologie afdeling heeft geleid, legt uit dat na een hartaanval bij mensen het genezingsproces lang en inefficiënt is. Eenmaal beschadigd, worden spiercellen genaamd cardiomyocyten vervangen door littekenweefsel, dat niet in staat is om te contracteren en kan dus niet aan pompen deelnemen. Dit leidt tot verdere stress op de resterende spier en uiteindelijk op hartfalen.

Onderzoek bij het Weizmann Instituut voor Wetenschap heeft een molecule in pasgeboren harten ontdekt die het vernieuwingsproces lijkt te beheersen

Hartregeneratie tot volwassenheid bestaat in sommige van onze collega gewervelden. Vissen, bijvoorbeeld, kunnen de beschadigde harten doeltreffend regenereren. Dichter verwanten - muizen - zijn geboren met deze mogelijkheid maar verliezen het na een week van het leven. Die week geeft Tzahor en zijn lab een tijdvenster om de signalen te onderzoeken die hartherleving bevorderen.

Externe bronnen

Tzahor en Bassat geloofden dat een deel van het geheim zelf buiten de hartcellen zou liggen - in het omliggende ondersteunende weefsel, bekend als de extracellulaire matrix, of ECM. Veel cellen-naar-cel berichten worden door deze matrix doorgegeven, terwijl anderen zijn opgeslagen in de vezelstructuur. Zo begon het team met ECM te experimenteren van zowel pasgeboren als week ouide muizen, waarbij de cellen werden verwijderd totdat alleen het omringende materiaal was achtergelaten en vervolgens observeren wat er gebeurde toen stukken ECM werden toegevoegd aan hartcellen in de cultuur. De onderzoekers vonden dat de jongere ECM, in tegenstelling tot de oudere, cardiomyocyt proliferatie opwekte.

Een screening van ECM eiwitten identificeerde verschillende kandidaat moleculen voor het reguleren van deze respons, waaronder Agrin. Agrin was al bekend om zijn effecten op andere weefsels - vooral in de neuromusculaire kruising, waar het helpt bij het regelen van de signalen die van zenuwen naar spieren overgaan. In de harten van de muis dalen de niveaus van deze molecule over de eerste zeven dagen van het leven, wat een mogelijke rol in hartregeneratie voorstelt. De onderzoekers voegden Agrin toe aan celculturen en merkte op dat het de cellen hielp zich te delen.

Vervolgens testten de onderzoekers Agrin op muismodellen met hartletsel, en vroeg zich af of het de schade zou kunnen omkeren. Inderdaad, vonden ze dat na een enkele injecties van Agrin de muisharten bijna volledig genezen en volledig functioneel waren, hoewel de wetenschappers verbaasd waren dat er meer dan een maand voor de behandeling nodig was om de volledige invloed op hartfunctie en regeneratie te geven. Aan het eind van de herstelperiode is het littekenweefsel echter dramatisch verminderd, vervangen door een levend hartweefsel dat de pompfunctie van het hart herstelde.

Ketting in beweging zetten

Met andere woorden, Tzahor speculeert dat naast een bepaalde hoeveelheid directe cardiomyocyt vernieuwing, Agrin op een of andere manier invloed heeft op de ontstekings- en immuunrespons van het lichaam op een hartaanval, evenals de trajecten die betrokken zijn bij het onderdrukken van de fibrose of littekens, die leidt tot hartfalen. De lengte van het herstelproces is echter nog steeds een mysterie, omdat de Agrin zelf binnen een paar dagen na de injectie van het lichaam verdwijnt. "Het is duidelijk dat dit molecuul een reeks gebeurtenissen in gang zet", zegt hij. "We hebben ontdekt dat het hecht aan een eerder onbeheerde receptor op de hartspiercellen, en deze binding neemt de cellen terug in een iets minder volwassen toestand - dichter bij die van het embryo - en geeft signalen die onder andere celdeling kunnen initiëren. “Experimenten met muizen die genetisch gemanipuleerd waren om Agrin in hun hart te laten ontbreken, ondersteunen verder dit idee: In afwezigheid van Agrin kunnen pasgeboren muizen het hartweefsel als gevolg van letsel niet goed regenereren. Omdat muizen niet kunnen leven zonder de andere functies van Agrin, was dit een technisch uitdagend experiment om uit te voeren, voegt Tzahor toe.

Het team heeft vervolgens bewezen dat Agrin een soortgelijk effect heeft op menselijke hartcellen die op kweek zijn gezet. Hij en zijn team werken nu om precies te begrijpen wat er gebeurt in de periode tussen de injectie van Agrin en de terugkeer van de volledige cardiale functionaliteit. Daarnaast hebben leden van Tzahor's team preklinische studies met grotere dieren in Duitsland gestart in samenwerking met Prof. Kupatt van de Technische Universiteit van München om het effect van Agrin op hartreparatie te bepalen. Onder de bevindingen is een belangrijke rol voor de ECM in zowel het leiden van hartgroei en het bevorderen van regeneratie, en dit inzicht kan helpen bij het ontwerpen van verder biomedisch onderzoek.

Een aantal onderzoeksgroepen namen deel aan verschillende fasen van het onderzoek, met name prof. Shenhav Cohen van het Technion - Israël Instituut voor Technologie, Haifa en haar promovendus Yara Eid, die nieuwe inzichten kreeg in de biochemische input van Agrin op hartcellen . Prof. Nenad Bursac van Duke University, North Carolina; James F. Martin van Baylor College of Medicine, Houston Texas; Leden van het Nancy- en Stephen Grand Israël Nationaal Centrum voor Gepersonaliseerde Geneeskunde en prof. Irit Sagi van de afdeling Biologische Regeling van Weizmann Instituten hebben ook deelgenomen aan dit onderzoek. Prof. Eldad Tzahor’s onderzoek wordt ondersteund door het Yad Abraham Research Center voor Kankerdiagnostiek en Therapie, waar hij het hoofd van is. Het Henry Krenter Instituut voor Biomedische Imaging en Genomics; Het Daniel S. Shapiro Cardiovascular Research Fund; En de Europese Onderzoeksraad.


Young at Heart: Restoring Cardiac Function with a Matrix Molecule

Administering “young matrix” molecules to damaged mouse hearts led to muscle repair

Heart disease remains the leading cause of death worldwide, yet the few available treatments are still mostly unsuccessful once the heart tissue has suffered damage. Mammalian hearts are actually able to regenerate and repair damage – but only up to around the time of birth. Afterward, that ability disappears, seemingly forever. Research at the Weizmann Institute of Science has uncovered a molecule in newborn hearts that appears to control the renewal process. When injected into adult mouse hearts injured by heart attacks, this molecule, called Agrin, seems to “unlock” that renewal process and enable heart muscle repair. These findings, published today in Nature, are already pointing to new directions for research on restoring the function of damaged hearts.

Prof. Eldad Tzahor, who led the study together with doctoral student Elad Bassat, research student Alex Genzelinakh and other team members in the Weizmann Institute’s Molecular Cell Biology Department, explains that following a heart attack in humans, the healing process is long and inefficient. Once damaged, muscle cells called cardiomyocytes are replaced by scar tissue, which is incapable of contracting and thus cannot participate in pumping. This, in turn, leads to further stress on the remaining muscle and eventual heart failure.

Research at the Weizmann Institute of Science has uncovered a molecule in newborn hearts that appears to control the renewal process

Heart regeneration into adulthood does exist in some of our fellow vertebrates. Fish, for example, can efficiently regenerate damaged hearts. Closer relatives on the evolutionary tree – mice – are born with this ability but lose it after a week of life. That week gives Tzahor and his lab a time window in which to explore the cues that promote heart regeneration.

Outside sources

Tzahor and Bassat believed that part of the secret might lay outside of the heart cells themselves – in the surrounding supportive tissue known as the extracellular matrix, or ECM. Many cell-to-cell messages are passed through this matrix, while others are stored within its fibrous structure. So the team began to experiment with ECM from both newborn and week-old mice, clearing away the cells until only the surrounding material was left, and then observing what happened when bits of the ECM were added to cardiac cells in culture. The researchers found that the younger ECM, in contrast to the older, elicited cardiomyocyte proliferation.

A screening of ECM proteins identified several candidate molecules for regulating this response, among them Agrin. Agrin was already known for its effects on other tissues – particularly in the neuromuscular junction, where it helps regulate the signals passed from nerves to muscles. In mouse hearts, levels of this molecule drop over the first seven days of life, suggesting a possible role in heart regeneration. The researchers then added Agrin to cell cultures and noted that it caused the cells to divide.

Next, the researchers tested Agrin on mouse models of heart injury, asking whether it could reverse the damage. Indeed, they found that following a single injection of Agrin mouse hearts were almost completely healed and fully functional, although the scientists were surprised to find that it took over a month for the treatment to impart its full impact on cardiac function and regeneration. At the end of the recovery period, however, the scar tissue was dramatically reduced, replaced by living heart tissue that restored the heart’s pumping function.

Setting the chain in motion

In other words, Tzahor speculates that in addition to causing a certain amount of direct cardiomyocyte renewal, Agrin somehow affects the body’s inflammatory and immune responses to a heart attack, as well as the pathways involved in suppressing the fibrosis, or scarring, which leads to heart failure. The length of the recovery process, however, is still a mystery, as the Agrin, itself, disappears from the body within a few days of the injection. “Clearly this molecule sets a chain of events in motion” he says. “We discovered that it attaches to a previously unstudied receptor on the heart muscle cells, and this binding takes the cells back to a slightly less mature state – closer to that of the embryo – and releases signals that may, among other things, initiate cell division.” Experiments with mice that were genetically engineered to lack Agrin in their hearts further support this idea: In its absence, newborn mice could not properly regenerate heart tissue following injury. Because mice cannot live without the other functions of Agrin, this was a technically challenging experiment to perform, adds Tzahor.

The team then proved that Agrin has a similar effect on human heart cells grown in culture. He and his team are now working to understand exactly what happens in the period of time between the injection of Agrin and the return of full cardiac functionality. In addition, members of Tzahor’s team have started pre-clinical studies in larger animals in Germany in collaboration with Prof. Kupatt of the Technical University of Munich to determine the effect of Agrin on cardiac repair.Among other things, the findings of this study have highlighted a role for the ECM in both directing heart growth and promoting regeneration, and this insight may help in the design of further biomedical research. A number of research groups took part in various stages of the research, in particular Prof. Shenhav Cohen of the Technion – Israel Institute of Technology, Haifa and her PhD student Yara Eid, who provided novel insights into the biochemical inputs of Agrin on cardiac cells. Prof. Nenad Bursac of Duke University, North Carolina; James F. Martin of Baylor College of Medicine, Houston Texas; members of the Nancy and Stephen Grand Israel National Center for Personalized Medicine; and Prof. Irit Sagi of the Weizmann Institutes’ Biological Regulation Department also participated in this research.Prof. Eldad Tzahor's research is supported by the Yad Abraham Research Center for Cancer Diagnostics and Therapy, which he heads; the Henry Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics; the Daniel S. Shapiro Cardiovascular Research Fund; and the European Research Council.

Source: https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/yo...