Unità di Ricerca Cardio-oncologia sperimentale e invecchiamento cardiovascolare
L’Unità di Cardio-oncologia Sperimentale e Invecchiamento Cardiovascolare è stata costituita nel Maggio 2014 e svolge attività di ricerca traslazionale con lo scopo di investigare i meccanismi molecolari e cellulari alla base del processo di invecchiamento del sistema cardiovascolare. L’invecchiamento, infatti, è associato ad importanti modifiche strutturali, funzionali e metaboliche delle cellule che alterano la fisiologia dei tessuti e facilitano l’insorgenza e la progressione dei meccanismi patologici alla base delle malattie cardiovascolari.
Un ulteriore obiettivo dell'Unità consiste nel comprendere le alterazioni a carico delle diverse popolazioni cellulari del cuore indotte da farmaci antitumorali cardiotossici responsabili dell’insorgenza di cardiomiopatie. Sistemi cellulari in vitro associati a modelli animali di tossicità cardiaca, invecchiamento e disfunzioni cardiovascolari, in topi knockout e transgenici per specifici fattori di interesse, sono utilizzati per raggiungere il nostro scopo.
Progetti
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RAGE e l’invecchiamento cardiaco
L’invecchiamento cardiaco fisiologico predispone il cuore a stress e rappresenta il principale fattore di rischio per le malattie cardiovascolari. L’identificazione dei meccanismi che permettono al cuore di invecchiare “lentamente” potrebbe ridurre il rischio di incidenza di infarto del miocardio e di sviluppare insufficienza cardiaca.
Figura 1. L’espressione di RAGE contribuisce all’adesione cellula-cellula. Frecce rosse: cellule HEK/pcDNA in contatto con cellule HEK/FL-RAGE. Frecce verdi: cellule HEK/FL-RAGE in contact le une con le altre.
Il Recettore per i prodotti avanzati di glicazione (Receptor for Advanced Glycation Endproducts, RAGE) è una proteina di membrana in grado di riconoscere diversi ligandi tra cui i peptidi S100, gli AGEs (Advanced Glycation Endproducts) e HMGB1 (High-mobility group box 1). Queste molecole svolgono un ruolo importante nella insorgenza e sviluppo di patologie infiammatorie acute e croniche comprese le malattie cardiovascolari. Recentemente abbiamo dimostrato che RAGE funziona anche da molecola di adesione (CAMs), e infatti, quando è espressa ad alti livelli, media l’adesione cellulare ai componenti della matrice extracellulare e/o l’adesione tra cellule attraverso interazioni omofiliche (fig. 1).
Diverse isoforme di membrana e solubili di RAGE sono state identificate in varie specie ed il loro contributo all’invecchiamento è stato solo parzialmente investigato. Nell’uomo i livelli circolanti di RAGE solubile (sRAGE) diminuiscono con l’età e soggetti centenari hanno livelli di sRAGE più elevati rispetto a soggetti sani di 40 anni, suggerendo che sRAGE può essere considerato un marcatore di “buon” invecchiamento. Inoltre, è stato osservato che topi invecchiati in cui è stato deleto il gene RAGE (AGER) sviluppano spontaneamente fibrosi polmonare.
Un progetto del gruppo riguarda lo studio del ruolo di RAGE nell’invecchiamento cardiaco fisiologico e le complicanze ad esso associate. Tale studio si basa su un modello murino di invecchiamento in cui vengono paragonati la funzionalità e il rimodellamento cardiaco, nonché i profili di espressione genica e di microRNA in topi Rage-/- e wild-type (wt) di diversa età.
HMGB1 e la rigenerazione cardiaca
High mobility group box 1 (HMGB1) è una proteina nucleare che lega la cromatina ed è in grado di regolare la trascrizione, il mantenimento della struttura ed il numero di nucleosomi e il processo di riparazione del DNA. In seguito a un danno tissutale, HMGB1 viene rilasciata passivamente nell’ambiente extracellulare, o attivamente dalle cellule infiammatorie dopo traslocazione dal nucleo al citoplasma.
Nell’ambiente extracellulare HMGB1 agisce da fattore chemiotattico e/o infiammatorio e può promuovere la rigenerazione o il rimodellamento tissutale. La somministrazione intracardiaca di HMGB1 in un modello murino di infarto acuto del miocardio promuove la rigenerazione cardiaca e angiogenica e attenua il rimodellamento del cuore. HMGB1 è estremamente sensibile all’ossidazione, perciò lo stato ossido-riduttivo dell’ambiente extracellulare è critico per la sua attività e può determinare modifiche redox dei residui di cisteina della proteina.
In questo contesto, il nostro gruppo ha testato l’effetto di un mutante di HMGB1, in cui le cisteine sono state sostituite da serine e denominato 3S, che è in grado di mantenere la capacità chemiotattica della proteina anche in ambiente fortemente ossidante a differenza della proteina non mutata.
Figura 2. Effetti di fr-HMGB1 e 3S sull'accumulo di collagene e sul numero di fibroblasti cardiaci alfa-SMA positivi dopo IM.
Abbiamo osservato che la somministrazione del 3S peggiora il rimodellamento cardiaco post-infarto promuovendo una maggiore dilatazione del ventricolo sinistro e un aumentato accumulo di collagene nella zona adiacente l’infarto (fig 2A). Questo avviene a causa di una deregolata attività dei fibroblasti cardiaci in termini di migrazione e differenziamento in mio-fibroblasti (fig 2B).
Quindi, i nostri dati suggeriscono che la progressiva ossidazione di HMGB1 è fondamentale per un corretto riparo del cuore dopo l’infarto. L’attività del laboratorio è al momento focalizzata nell’investigare l’effetto delle diverse forme ridotte/ossidate di HMGB1 in altri modelli di danno cardiaco.
Ruolo del microRNA-34a e HMGB1 nelle malattie vascolari associate all’età
Le alterazioni dell’anatomia delle arterie associate all’età sono importanti fattori di rischio per le malattie cardiovascolari. Durante l’invecchiamento, le cellule muscolari lisce vascolari (VSMCs) sono caratterizzate da cambiamenti fenotipici che ne influenzano la contrattilità, proliferazione, migrazione e deposizione della matrice extracellulare. Inoltre, la presenza di VSMCs senescenti è responsabile del mantenimento dell’infiammazione cronica associata all’invecchiamento, dovuto alla secrezione di molecole pro-infiammatorie (SASP factors). Tali cambiamenti fenotipici delle VSMCs, ed i meccanismi molecolari che li regolano, sono coinvolti anche nella patogenesi di malattie vascolari come la aterosclerosi e la sua complicazione più comune, la calcificazione vascolare.
I MicroRNA (miRNAs) sono piccole molecole di RNA non codificanti, che controllano l’espressione genica, la cui deregolazione può avere un impatto profondo sullo sviluppo e l’omeostasi dei tessuti, ed è coinvolta in varie malattie, tra cui le disfunzioni vascolari associate all’età. Il MicroRNA-34a (miR-34a) è un miRNA onco-soppressore regolato da p53, capace di controllare l’arresto del ciclo cellulare e l’apoptosi. I livelli di espressione di miR-34a aumentano con l’età in diversi tessuti e organi nell’ uomo e nel topo e regolano la senescenza cellulare.
Il nostro gruppo ha recentemente pubblicato che l’espressione di miR-34a aumenta nelle aorte di topi invecchiati e durante la senescenza replicativa di cellule umane primarie muscolari lisce dell’aorta (HAMSCs), in concomitanza con una riduzione dei livelli proteici di un suo noto target, SIRT1 (fig 3).
La sovraespressione di miR-34a nelle HAMSCs proliferanti induce l’arresto del ciclo cellulare in G0-G1 e la senescenza mediante SIRT1, e contribuisce al loro fenotipo infiammatorio, stimolando l’espressione di molecole pro-infiammatorie associate all’invecchiamento (fig 4). Un obiettivo della nostra ricerca è quello di valutare il contributo del miR-34a e di alcuni suoi target, tra cui HMGB1, nell’aterosclerosi e nella calcificazione vascolare.
Figura 3. (A) L’espressione di SIRT1 è depressa sia nell’endotelio sia nelle VSMC di aorta di modello murino. (B) Quantificazione delle aree immunopositive di SIRT1 in sezioni di aorta. (C) L’espressione di miR-34a aumenta con l’età nell’aorta murina.
Figura 4. L’invecchiamento induce l’espressione di miR34a che reprime target multipli (modello proposto).
Ruolo di HMGB1 nella cardiotossicità indotta dalla Doxorubicina
Il tasso di sopravvivenza dei malati di cancro è aumentato negli ultimi 25 anni grazie alle moderne tecniche chemioterapiche. Molti agenti chemioterapici come la Doxorubicina (Dox) sono però potenzialmente cardiotossici, in particolare, in soggetti con malattie cardiache pregresse o in età avanzata, e possono comportare lo sviluppo di cardiomiopatie progressive e irreversibili, influenzando in ultimo, la qualità della vita dei pazienti. Nel cuore, la Dox lega la Topoisomerasi IIβ, induce danno al DNA e provoca cambiamenti nel trascrittoma della cellula. Questi cambiamenti inducono un’alterata biogenesi e attività dei mitocondri che in combinazione ad una elevata produzione di specie reattive dell’ossigeno, è responsabile della morte delle cellule cardiache e del rimodellamento del miocardio.
Un obiettivo del gruppo è quello di valutare il contributo di HMGB1 alla cardiotossicità mediata da Dox e la sua potenzialità come bersaglio terapeutico. A tale scopo sarà generato un topo con una delezione specifica del gene Hmgb1 nei cardiomiociti grazie al quale saranno valutati gli effetti acuti e cronici della Dox sia sulla funzionalità cardiaca che sui meccanismi molecolari implicati.
