Cardiac ischemia brings communication noise into the conversation between cardiomyocytes and macrophages

Abstract

O coração é um órgão complexo que depende de uma rede de comunicação intercelular extremamente organizada para funcionar corretamente, distribuindo de um modo eficaz oxigénio e nutrientes a todo o organismo. O enfarte do miocárdio está associado a uma reacção inflamatória exacerbada, bem como a uma desregulação do sistema de comunicação cardíaco. Recentemente, os macrófagos foram reconhecidos como uma das principais populações celulares do coração, tendo sido fortemente implicados na manutenção da homeostasia cardíaca e ainda na progressão e resolução da lesão isquémica. Contudo, os mecanismos celulares e moleculares envolvidos na comunicação estabelecida entre macrófagos e cardiomiócitos, as células contrácteis do coração, permanecem por esclarecer. Assim, o principal objetivo deste estudo consiste na caracterização da comunicação estabelecida entre macrófagos e cardiomiócitos, via gap junctions ou exossomas, e em determinar os efeitos da isquemia nesta rede de comunicação. Os resultados obtidos neste estudo demonstram que os exossomas libertados por cardiomiócitos induzem a polarização de macrófagos para um perfil de ativação alternativo. Surpreendentemente, os exossomas isquémicos reduzem fortemente esta ativação, através de um mecanismo que depende de proteína(s) membranar(es) dos exossomas. Curiosamente, apesar da internalização por macrófagos ser necessária para os exossomas (controlo e isquémicos) provocarem um efeito, os exossomas isquémicos evidenciam necessitar de uma exposição mais prolongada para iniciarem esta resposta. Com base nos resultados experimentais obtidos, propomos um modelo assente no pressuposto de que a isquemia induz alterações no conteúdo proteico membranar dos exossomas libertados por cardiomiócitos, que consequentemente comprometem a comunicação entre macrófagos e cardiomiócitos, modulando, desta forma, o perfil funcional dos macrófagos. Adicionalmente demonstrámos que os exossomas libertados por macrófagos sujeitos a isquemia induzem a morte de cardiomiócitos. Resumo xii Além de afectar a comunicação mediada por exossomas, demonstrámos que a isquemia induz a degradação de conexina 43 em macrófagos. Os nossos resultados evidenciam ainda que a inibição da autofagia reverte esta degradação. Finalmente, demonstrámos que os cardiomiócitos estabelecem canais gap junction com os macrófagos, e que a isquemia parece inibir esta comunicação. Em resumo, os resultados obtidos no presente trabalho permitem não só concluir que os cardiomiócitos e os macrófagos comunicam constitutivamente via exossomas e gap junctions para manter a homeostasia cardíaca, mas também que esta comunicação está alterada num contexto de isquemia, o que poderá contribuir para a disfunção cardíaca associada à lesão isquémica. De um modo geral, este estudo clarifica mecanismos subjacentes à comunicação estabelecida entre macrófagos e cardiomiócitos e enfatiza uma área emergente com grande potencial para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas contra a doença de isquemia cardíaca.

The heart is a complex organ that depends on a well-organized intercellular communication network to appropriately perform its function of pumping the blood, thus distributing oxygen and nutrients to the organism. Myocardial infarction has been associated with an exacerbated inflammatory reaction as well as a deregulation of the cardiac communication system. Recently, macrophages have been recognized as one of the major cell populations of the heart and have been strongly implicated in both the maintenance of cardiac homeostasis and the progression and resolution of the ischemic injury. However, intercellular communication between macrophages and cardiomyocytes, the contractile cells of the heart, remains largely underexplored. Therefore, the main objective of this study is to characterize the communication established between macrophages and cardiomyocytes, either via gap junctions or exosomes, and determine how ischemia can disturb this crosstalk. The results obtained in this study demonstrated that cardiomyocyte-released exosomes induce the polarization of macrophages towards an alternatively activated profile. Exquisitely, ischemic exosomes strongly dampen this activation, in a mechanism that depends on exosomal membrane protein(s). Interestingly, although internalization by macrophages is required for both control and ischemic exosomes to trigger an effect, ischemic exosomes appear to require a more prolonged exposure to macrophages to elicit a response. Based on this data we envision a model in which ischemia alters the content of proteins localized at the membrane of cardiomyocyte-released exosomes that compromise intercellular communication between macrophages and cardiomyocytes, which in its turn modulates macrophages functional profile. Furthermore, we showed that exosomes released by macrophages submitted to ischemia induce cardiomyocytes death. Besides affecting exosome-mediated communication, we demonstrated that ischemia induces the degradation of gap junction protein connexin 43, in macrophages. Moreover, we provided evidences that ischemia-induced degradation of Cx43 occurs through Abstract xiv autophagy. Lastly, we showed that cardiomyocytes establish gap junction channels with macrophages, and that ischemia appears to impair this communication. In brief, we conclude that macrophages and cardiomyocytes constitutively communicate via exosomes and gap junction channels to maintain cardiac homeostasis. Conversely, ischemia impairs both communication pathways, possibly furthering the ischemic injury. Altogether, this study provides new evidence regarding the communication network established between macrophages and cardiomyocytes, which could be useful in the development of new fine-tuned therapeutic strategies against ischemic heart disease.