Metabolomic and energetic shifts driving direct cardiac conversion of mouse fibroblasts into induced cardiomyocytes | Alterações metabolómicas e energéticas da conversão cardíaca direta de fibroblastos de ratinho em cardiomiócitos

One of the main causes of death, worldwide, are cardiovascular diseases, characterized by loss of cardiomyocytes, leading to heart failure. Thus, researching new clinically relevant procedures capable of improving cardiac regeneration is crucial. So, direct cardiac conversion (DCC) of mouse fibroblasts into induced cardiomyocytes (iCMs), via forced expression of cardiogenic transcription factors (MGT: Mef2c, Gata4, Tbx5), that shows therapeutic potential, despite low clinical effectiveness, mainly in adult cells. Whilst, neonatal heart is substantially capable of regeneration, the adult mammalian heart presents limited capacity, since this capacity is lost at postnatal stages. During which an important metabolic switch, from glycolysis to mitochondrial respiration, occurs in cardiac cells. The similar mitochondrial metabolic reprogramming, that occurs during DCC is vital, but still remains largely unknown. In this work, we aimed to characterize the metabolic and energetic landscape transitions and remodeling of mitochondrial homeostatic pathways, during DCC, in order to improve its efficiency, mainly in adult cells. For that, embryonic and adult fibroblasts-derived iCMs were generated and analyzed by a variety of biochemical assays, including Seahorse bioenergetics, and LC-MS-based metabolomics. Results revealed an increase reliance on mitochondrial respiration, in both age groups iCMs, as well as the repression of several anabolic pathways, paralleled with a cell cycle-arrest, upon transdifferentiation in MEFs-derived iCMs. On AEFs-derived iCMs, it was visible more mitochondrial damage, with less clearance and more inefficient mitophagy mechanisms, which could be further manipulated to potentially improve DCC. Overall, metabolic modulation, during DCC, has a great impact and metabolic targets can enhance the process efficiency.

Uma das principais causas de morte a nível mundial são as doenças cardiovasculares, caracterizadas pela perda de cardiomiócitos, que conduzem à insuficiência cardíaca. Assim, a pesquisa de novos procedimentos, clinicamente relevantes, capazes de melhorar a regeneração cardíaca, é crucial. Neste contexto, a conversão cardíaca direta (DCC) de fibroblastos de ratinhos em cardiomiócitos induzidos (iCMs), com a expressão forçada de fatores de transcrição cardiogénicos (MGT: Mef2c, Gata4, Tbx5), mostra um potencial terapêutico, apesar da baixa eficácia clínica, principalmente em células adultas. Enquanto o coração neonatal é substancialmente capaz de se regenerar, o coração adulto de mamíferos apresenta uma capacidade reduzida. Nessa fase, ocorre uma importante alteração metabólica, nas células cardíacas, da glicólise para a respiração mitocondrial. A equivalente reprogramação metabólica mitocondrial que ocorre durante a DCC, é vital, mas ainda permanece bastante desconhecida. O nosso objetivo foi caracterizar as transições do ambiente metabólico e energético, bem como a remodelação das vias de homeostase mitocondrial, durante a DCC, para melhorar sua eficiência, principalmente em células adultas. Para tal, foram gerados iCMs, derivados de fibroblastos, embrionários e adultos, analisados posteriormente por uma variedade de ensaios bioquímicos, incluindo Seahorse bioenergético e metabolómica por LC-MS. Os resultados revelaram uma maior dependência na respiração mitocondrial, em ambas as idades das células musculares induzidas (iCMs), bem como a repressão de várias vias anabólicas com concomitante saída do ciclo celular, durante a conversão em iCMs derivadas de fibroblastos embrionários. Em iCMs derivadas de fibroblastos adultos, observou-se mais dano mitocondrial, com menor eliminação e mitofagia ineficiente, que poderiam ser manipulados para melhorar a DCC. No geral, podemos concluir que existe um grande impacto da modulação metabólica durante o processo de DCC e o uso de alvos metabólicos pode aumentar a eficiência do processo.

Mestrado em Biomedicina Molecular