Las células de un organismo multicelular se comunican a través una amplia variedad de mecanismos que incluyen no sólo la transferencia directa por contacto célula-célula, sino también la secreción de las moléculas y vesículas que viajan a otras células. Las células de mamíferos segregan una gran variedad de vesículas extracelulares (EV). Los exosomas son vesículas extracelulares con un tamaño de entre 20-100 nanometros que pueden transferir información en forma ácidos nucleicos o proteínas entre diferentes células por lo que son reconocidos como un potente mecanismo de comunicación intercelular. Este tipo de vesículas está siendo objeto de intensa investigación no solo en el proceso de metástasis tumoral, ya que se cree que los exosomas están relacionados con la extensión del tumor a órganos no relacionados, sino en el ámbito de la medicina regenerativa, puesto que se consideran potenciales candidatos implicados en los mecanismos paracrinos inducidos por las células madre. Por este motivo, en este trabajo se analizó el potencial terapéutico de los exosomas derivados de células madre mesenquimales (MSC). Así, nos planteamos la hipótesis de que las MSC fueran capaces de transferir exosomas hacia las células de los tejidos que reparan. Un trabajo reciente de nuestro grupo de investigación demostró que la sobreexpresión del factor inducible por hipoxia 1α (HIF-1α) en MSC (MSC-HIF) potenciaba la capacidad terapéutica de las MSC para mejorar la función cardiaca tras un infarto agudo de miocardio (IAM). En consecuencia, estudiamos el contenido de microRNAs en los exosomas derivados de las MSC y las MSC-HIF. Se observó que las poblaciones de microRNAs presentes exosomas derivados de MSC y MSC-HIF cambiaron de manera reproducible en función de la disponibilidad de oxígeno que poseían las células, lo que interpretamos como un mecanismo respuesta celular mediada por exosomas. Así también, observamos que en las MSC-HIF la combinación de la sobreexpresión de HIF-1α con las bajas tenciones de oxigeno generaban exosomas cargados con microRNAs con potencial terapéutico para el tratamiento del IAM. Sin embargo, no fuimos capaces de demostrar el potencial terapéutico de los exosomas aislados de dichas poblaciones celulares en un modelo de infarto experimental en rata, lo que pudo ser ocasionado por un diseño incorrecto del procedimiento experimental. Esto provocó un giro en la orientación de la tesis y decidimos centrarnos en los mecanismos celulares inducidos por los exosomas en el entorno cardiaco. En este contexto, recientemente se ha descrito la presencia de exosomas en cardiomiocitos (CM) humanos. A nivel de ultraestructura, la anatomía del tejido cardiaco revela una intrínseca relación entre los CM y las células endoteliales (ECs) que componen el endotelio microvascular coronario, el cual se encarga de nutrir a los CM realizando el transporte de combustibles metabólicos desde la sangre hacia los CM. El espacio perivascular que separa a los CM de las ECs es de tan solo 1µm, permitiendo el flujo de información a corta distancia entre los CM y las ECs. Mantener esta disposición es fundamental para lograr un acople metabólico entre ambos tipos celulares. El corazón no posee reservas apreciables de combustibles metabólicos por lo el aporte de nutrientes y oxigeno debe ser continuo y regulado. Por esto pensamos que el aporte energético del endotelio hacia el corazón debería estar finamente coordinado, no solo por el control exógeno del metabolismo en todo el organismo sino también por algún mecanismo en el que el propio cardiomiocito regule el trasporte de su célula endotelial asociada. Además se sabe que las ECs liberan factores que alteran la actividad de los CM, y de la misma manera que los CM liberan factores que alteran las ECs. Sin embargo, se conoce poco a cerca de los mecanismos que regulan el flujo de nutrientes desde las ECs hacia los CM, especialmente es situaciones de estrés agudo en donde se requiere un mecanismo activo a nivel local que regule el trasporte endotelial. En este trabajo se estudió cómo los exosomas derivados de los CM alteraban el transporte de glucosa en ECs. En primer lugar mostramos datos que indican que el ayuno de glucosa incrementa la síntesis y secreción de exosomas en cultivos de CM neonatales de rata. En segundo lugar demostramos que estos exosomas derivados de CM son internalizados por las ECs en una manera dependiente de la disponibilidad de glucosa del medio. Por último aportamos evidencias de que los exosomas derivados de los CM que fueron cultivados en condiciones de ayuno de glucosa fueron capaces de trasferir trasportadores de glucosa (GLUTs) hacia las ECs, en donde estos GLUTs trasferidos mediante exosomas incrementaron la captación de glucosa y la actividad glicolítica de las ECs. Tomando en conjunto los resultados, en la presente tesis se propone un modelo de comunicación entre los CM y las ECs, en el cual el tráfico de proteínas mediado por exosomas desde los CM hacía las ECs trasladaría las necesidades metabólicas de los CM a las ECs las cuales están en contacto directo con los nutrientes presentes en el flujo coronario. Este novedoso mecanismo de acción a corta distancia revela una relación intrínseca entre la demanda de glucosa de los CM y el transporte de glucosa de las ECs permitiendo una rápida respuesta desde las ECs al incrementar la cantidad de transportadores de glucosa sin necesidad de síntesis de novo ni de la modificación de los perfiles de transcripción génica, lo que sin duda aumenta la eficiencia del proceso de comunicación celular. / García, NA. (2014). Estudio de la comunicación intercelular mediada por exosomas y sus implicaciones terapéuticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48165

Objetivo general Estudiar los mecanismos patogénicos moleculares en tipos celulares claves en la infección experimental por CVB3. Objetivos específicos e hipótesis de trabajo 1. Estudiar la expresión de los receptores celulares y su correlación con la susceptibilidad a la infección por virus Coxsackie B (CVB) en células cardíacas murinas y humanas y en ratones de distintas cepas Acorde a trabajos previos (Kandolf et al. 1985; Gomez et al. 1993), los cardiomiocitos murinos y humanos son susceptibles a la infección por CVB. Partiendo de la hipótesis que la susceptibilidad a la infección correlaciona con la expresión del o los receptores virales, se propone estudiar en modelos in vitro de cardiomiocitos humanos derivados de células embrionarias madres totipotenciales (hESC-C) y en cardiomiocitos murinos recién nacidos y adultos, la infección con CVB a nivel de la replicación viral, y la sobrevida celular y su correlación con los niveles de expresión del receptor viral CAR y DAF, en el caso humano. Asimismo se buscará determinar si existen cambios en los niveles de CAR entre distintas cepas de ratones y la asociación de estos eventuales cambios con la susceptibilidad a la infección viral. Para ello se procederá a inocular ratones de distintas cepas con CVB3 para determinar en los mismos los niveles de replicación viral en corazón; el grado de injuria tisular y los niveles tisulares de CAR. Estos estudios podrán determinar la susceptibilidad de hESC-C a la infección por CVB3, la correlación con la expresión de los receptores y las eventuales diferencias en el sistema murino donde DAF no es utilizado y clarificar el rol de la expresión de CAR en la miocarditis y si aquellas cepas de ratones que expresan más o menos CAR son más o menos susceptibles a la replicación viral y a la subsecuente enfermedad. 2. Estudiar la infección de macrófagos por CVB Considerando como hipótesis de trabajo que los macrófagos juegan un rol esencial en la miocarditis y sus secuelas, se intentará caracterizar la infección de CVB3 en macrófagos teniendo en cuenta los niveles de replicación viral, el estado de activación y/o diferenciación celular y el efecto en la síntesis de moléculas con eventual rol en la patogénesis de la infección por CVB3. 3. Estudiar el rol de macrófagos en la miocarditis viral y la fibrosis Partiendo de la hipótesis ya mencionada, se analizará el rol de los macrófagos en la replicación de CVB3 in vivo y su estado de activación en los distintos estadios de la infección viral. Asimismo se buscará correlacionar la activación de macrófagos, la expresión de Gal-3 y la activación de fibroblastos con la fibrosis cardíaca y las consecuencias por la depleción de macrófagos.

[ES] Cada año, cientos de miles de nuevos casos en todo el mundo son diagnosticados anualmente con fibrilación auricular, estimándose que aproximadamente 33.5 millones de personas viven con esta compleja enfermedad. Sin embargo, se hizo evidente que la fibrilación auricular es una enfermedad multifacética y progresiva. Por lo tanto, se requiere el desarrollo de nuevos modelos experimentales que recapitulen este complejo mecanismo. Por esta razón, esta tesis ha navegado a través del intrincado panorama del remodelado de la fibrilación auricular desde un punto de vista electrofisiológico, estructural e inmunológico, utilizando un modelo in vitro de cardiomiocitos atriales derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC-aCM). El modelo demostró ser capaz de recapitular mecanismos de reentrada, así como remodelados genéticos correlacionados con cambios electrofisiológicos, estructurales e inmunológicos similares a los observados en pacientes con fibrilación auricular, demostrando su valor como modelo para estudiar los mecanismos de iniciación de la arritmia. Además, la tesis exploró enfoques optogenéticos innovadores para la perturbación del potencial de acción en hiPSC-aCM, demostrando su posible uso para la terminación de la arritmia. En conclusión, esta tesis de doctorado realiza una contribución significativa al desarrollo y prueba de un nuevo modelo in vitro de fibrilación auricular en atrios humanos, proporcionando una base sólida para futuras mejoras en los objetivos terapéuticos y medicamentos. / [CA] Cada any, centenars de milers de nous casos a tot el món són diagnosticats anualment amb fibrilació auricular, estimantse que aproximadament 33.5 milions de persones viuen amb aquesta complexa malaltia. No obstant això, es va fer evident que la fibril·lació auricular és una malaltia multifacètica i progressiva. Per tant, es requereix el desenvolupament de nous models experimentals que recapitulen aquest complex mecanisme. Per aquesta raó, aquesta tesi ha navegat a través del intrincat panorama del remodelat de la fibrilació auricular des d'un punt de vista electrofisiològic, estructural i immunològic, utilitzant un model in vitro de cardiomiòcits atrials derivats de cèlules mare pluripotents induïdes humanes (hiPSC-aCM). El model va demostrar ser capaç de recapitular mecanismes de reentrada, així com remodelats genètics correlacionats amb canvis electrofisiològics, estructurals i immunològics similars als observats en pacients amb fibril·lació auricular, demostrant el seu valor com a model per estudiar els mecanismes d'iniciació de l'arítmia. A més, la tesi va explorar enfocs optogenètics innovadors per a la pertorbació del potencial d'acció en hiPSC-aCM, demostrant el seu possible ús per a la terminació de l'arítmia. En conclusió, aquesta tesi de doctorat realitza una contribució significativa al desenvolupament i prova d'un nou model in vitro de fibril·lació auricular en atris humans, proporcionant una base sòlida per a futures millores en els objectius terapèutics i medicaments. / [EN] Each year hundreds of thousands of new cases worldwide are annually diagnosed with atrial fibrillation (AF), estimating that approximately 33.5 million of people worldwide live with this complex disease. However, it became clear that AF is not only a prevalent cardiac arrhythmia but also a multifaceted and progressive one. Thus, the development of new experimental models that recapitulate this complex mechanism is required. For this reason, this thesis has navigated through the intricate landscape of AF remodeling under an electrophysiological, structural and immunological point of view using an in vitro model of human induced pluripotent stem cell-derived atrial cardiomyocytes (hiPSC-aCM). The model showed to be able to recapitulate re-entry mechanisms as well as genetic remodeling correlated to electrophysiological, structural and immunological changes similar to those observed in AF patients, demonstrating its value as model for studying initiation arrhythmia mechanisms. Furthermore, the thesis explored innovative optogenetic approaches for action potential perturbation in hiPSC-aCM, demonstrating their possible use for arrhythmia termination. In conclusion, this PhD thesis makes a significant contribution to the development and testing of a new human atrial in vitro model of AF, providing a strong basis for future improvements of therapeutic target and drugs. / Casini, M. (2024). The use of human induced pluripotent stem cell-derived atrial cardiomyocytes for studying arrhythmia mechanisms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204142

[ES] Las intervenciones actuales utilizadas en el ámbito clínico durante el infarto agudo de miocardio (IAM) se centran en la revascularización de la zona isquémica. Entre dichas estrategias, la angioplastia coronaria, procedimiento por el cual se utiliza un catéter para desobstruir la arteria ocluida, es el método más utilizado. Sin embargo, se ha descrito este proceso (conocido como reperfusión) desencadena un daño adicional en el miocardio, por lo que la combinación de dicha intervención con moléculas cardioprotectoras resulta de gran interés para tratar de reducir el tamaño del infarto. El presente trabajo propone dos nuevas moléculas con el fin de precondicionar el área isquémica antes de la reperfusión en el contexto del IAM. La primera estrategia propuesta se ha basado en el aporte de un ácido graso (diDHA) en la zona isquémica antes de la reperfusión para tratar de reducir el estrés de los cardiomiocitos y el número de células muertas antes de la reperfusión. Además, se han sintetizado nanoconjugados basados en la unión covalente de diDHA a un unido covalentemente a un esqueleto polimérico (ácido poli-L-glutámico, PGA) con el fin de incrementar la estabilidad del diDHA y conseguir una liberación controlada de la molécula. Los resultados obtenidos mostraron que la formulación PGA-diDHA6.4 fue la más optimizada, mostrando un mejor efecto en el precondicionamiento de los cardiomiocitos antes de la reperfusión en términos de reducción de apoptosis, generación de especies reactivas de oxígeno y mantenimiento de la función mitocondrial in vitro. Además, dicho nanoconjugado también mostró un modesto efecto terapéutico cuando se administró en modelos in vivo de isquemia-reperfusión en ratas y cerdos, reduciendo el tamaño final de infarto respecto a los grupos control. La segunda estrategia terapéutica propuesta se ha centrado en aumentar el potencial terapéutico de las vesículas celulares de pequeño tamaño (SEV o exosomas) procedentes de medio condicionado de células madre estromales (MSC). Numerosos estudios han descrito el papel terapéutico de factores paracrinos secretados por las MSC, donde se incluyen tanto factores solubles como vesículas extracelulares (EV) y, en especial, SEV. Diversas estrategias, como la modificación genética o precondicionamiento de estas células, han sido utilizadas para aumentar el potencial terapéutico de las mismas. En este trabajo se ha propuesto la modificación genética de las MSC con el objetivo de enriquecer las SEV en proteínas de interés que pudiesen potenciar el efecto terapéutico de las SEV nativas. En base a estudios previos, donde se ha visto que la oncostatina-M (OSM) podría jugar un papel anti-fibrótico en el contexto del IAM, se decidió incorporar dicha proteína en la superficie de las SEV derivadas de MSC mediante su fusión con proteínas presentes de forma natural en la superficie de las SEV, con el objetivo de desencadenar una respuesta en las células diana. La modificación de la secuencia de la OSM y su fusión con la tetraspanina CD81 permitieron cargar de manera efectiva la OSM en la superficie de las SEV, y los resultados preliminares en fibroblastos ventriculares cardíacos mostraron un efecto funcional beneficioso con respecto a los SEV control y los enriquecidos en CD81, reduciendo la tasa de proliferación de las células en condiciones de ayuno, y modificando la expresión y la liberación de la proteína telo-Col1α1 en las células después de ser estimuladas con TGFβ-1, α-dextrano y ácido ascórbico-L-sulfato En resumen, dos nuevas estrategias terapéuticas avanzadas libres de células han sido propuestas en el presente trabajo, donde se han mostrado resultados preliminares prometedores para reducir el daño en el miocardio tras el IAM en términos de reducción de apoptosis de cardiomiocitos y de activación de fibroblastos car / [CA] Les intervencions actuals utilitzades en l'àmbit clínic durant l'infart agut de miocardi (IAM) se centren en la revascularització de la zona isquèmica. Entre aquestes estratègies, l'angioplàstia coronària, procediment pel qual s'utilitza un catèter per a desobstruir l'artèria oclosa, és el procés més utilitzat. No obstant això, s'ha descrit que aquest procés (conegut com a reperfusió) desencadena un mal addicional en el miocardi. En conseqüència, la combinació d'aquesta intervenció amb molècules cardioprotectores resulta de gran interés per a tractar de reduir la grandària de l'infart. El present treball proposa dues noves molècules amb potencial cardioprotector en el context del IAM. Com a primera estratègia terapèutica, s'ha proposat l'aportació d'un àcid gras (diDHA) a la zona isquèmica del miocardio abans de la reperfusió per a tractar de reduir l'estrés dels cardiomiocitos i el nombre de cèl·lules mortes abans de la reperfusió. A més, s'han sintetitzat nanoconjugats basats en la unió covalent de diDHA a un esquelet polimèric (àcid poli-L-glutàmic, PGA) amb la finalitat d'incrementar l'estabilitat del diDHA i aconseguir un alliberament controlat de la molècula. Els resultats obtinguts van mostrar que la formulació PGA-diDHA6.4 va ser la més efectiva, mostrant un millor efecte en el precondicionament dels cardiomiocitos abans de la reperfusió en termes de reducció d'apoptosi, generació d'espècies reactives d'oxigen i manteniment de la funció mitocondrial in vitro. A més, el nanoconjugat PGA-diDHA6.4 també va mostrar un modest efecte terapèutic quan es va administrar en models in vivo d'isquèmia-reperfusió en rates i porcs, reduint la grandària final d'infart respecte als grups control. La segona estratègia proposada s'ha centrat en potenciar l'efect terapèutic de vesícules extracelul·lars de xicoteta grandària (SEV o exosomes) que son secretades per cèl·lules mare estromales. Nombrosos estudis han descrit el paper terapèutic de factors paracrinos secretats per les MSC, on s'inclouen tant factors solubles com vesícules extracelul·lars (EV) i, especialment, les SEV. Diverses estratègies, com la modificació genètica o el precondicionament de les MSC, s'han estudiat per augmentar el potencial terapèutic d'aquestes cèl·lules. En aquest treball, es va pensar en la modificació genètica de les MSC amb l'objectiu d'enriquir les SEV en proteïnes d'interés que pogueren potenciar l'efecte terapèutic de les SEV natives. Sobre la base d'estudis previs, on s'ha vist que la oncostatina-M (OSM) podria jugar un paper anti-fibròtic en el context del IAM, es va decidir incorporar aquesta proteïna en la superfície de les SEV derivades de MSC mitjançant la seua fusió amb proteïnes presents de manera natural en la superfície de les SEV, amb l'objectiu de desencadenar una resposta en les cèl·lules diana. La modificació de la seqüència de la OSM i la seua fusió amb la tetraspanina CD81 van permetre carregar de manera efectiva la OSM en la superfície de les SEV, i els resultats preliminars en fibroblastos ventriculars cardíacs van mostrar un efecte funcional respecte als SEV control i els enriquits en CD81, reduint la taxa de proliferació de les cèl·lules en condicions de dejuni, i modificant l'expressió i la secreció de la proteïna telo-Col1α1 en les cèl·lules després de ser estimulades amb TGFβ-1, α-dextran i àcid ascòrbic-L-sulfat, simulant una activació dels fibroblastos in vitro. En resum, dues noves estratègies terapèutiques avançades lliures de cèl·lules han sigut proposades en el present treball, on s'han mostrat resultats preliminars prometedors per a reduir el mal en el miocardi després del IAM en termes de reducció d'apoptosi de cardiomiocitos i d'activació de fibroblastos cardíacs. / [EN] Current therapeutic approaches against acute myocardial infarction (AMI) are focused on myocardial ischemic zone revascularization. The most common strategy is called primary angioplasty, in which a catheter is introduced to unblock the affected artery and restore blood flux, in a process called reperfusion. Nevertheless, an additional injury on cardiac tissue is caused after reperfusion, and the combination of primary angioplasty with the use of cardioprotective molecules has emerged as a potential strategy to reduce cardiac tissue injury. Two new cell-free therapeutic strategies to preconditionate myocardial ischemic area before reperfusion have been proposed to reduce cardiac injury after AMI. The first therapeutic strategy proposed consisted on the input of a free fatty acid (di-docosahexaenoic acid, diDHA) covalently bound to a polymeric backbone (poly-L-glutamic acid, PGA) in order to increase diDHA solubility and stability and modulate its effect on target cells. Results showed that PGA-diDHA6.4 conjugate administration during ischemia protected cardiomyocytes from reperfusion-induced injury, as apoptotic number of cells and oxidative stress was reduced, and mitochondrial function was less affected when compared to untreated cells. In addition to this, PGA-diDHA6.4 also showed therapeutic effects when locally administered in an ischemia-reperfusion in vivo model in rats and pigs, where a modest reduction of area at risk was observed compared to control groups. The second cell-free strategy proposed in this work was focused on enhancing the therapeutic potential of small extracellular vesicles (SEV or exosomes) isolated form mesenchymal stromal cells (MSC) conditioned media. Previous studies have described the therapeutic potential of paracrine factors released by MSC, where both soluble factors and vesicular components are included. In particular, SEV have gained special attention. Several stretegies, such as genetic modification or cell preconditioning, have been tested to enhance the MSC therapeutic potential. In this work, it was proposed MSC genetic modification in order to load proteins of interest on SEV and potentiate its native therapeutic potential. Based on previous findings, where it has been described a potential anti-fibrotic role of oncostatin-M (OSM) in AMI context, we decided to incorporate OSM on SEV surface by its fusion to CD81 tetraspanin, a protein naturally loaded on SEV surface, in order to trigger functional effects on target cells. OSM sequence modification was necessary in order to load the protein on SEV surface efficiently, and preliminary data showed that modified OSM-CD81 loaded on SEV had a functional effect on human ventricular cardiac fibroblasts. Concretely, decrease of proliferation rate after starvation and telo-Collagen1α1 location pattern modification was observed after stimulation with a pro-fibrotic cocktail (containing TGFβ-1, α-dextran and ascorbic-L-acid sulphate) in vitro when cells were treated with modified OSM-CD81- SEV compared to ctrl and CD81-loaded SEV treatments. Overall, two new advanced cell-free therapies with preliminary promising results have been proposed in order to reduce myocardial injury after AMI in terms of cardiomyocytes apoptosis reduction and fibrosis mitigation. / Tejedor Gascón, S. (2021). Development of new advanced therapies to mitigate ischemia-reperfusion-induced injury during acute myocardial infarction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171487