Proteomic and redox metabolomic investigation of pathological mechanisms of the failing heart

Abstract

Oxidative stress plays a significant role in the development and progression of various pathologies. In heart failure, a leading cause of death worldwide, oxidative stress is associated with multiple risk factors, such as diabetes and metabolic syndrome. Heart disease in various stages can be linked to disrupted and abnormal metabolism in cardiac cells.In order to address the crosstalk of aberrant metabolism and alterations of the myocardial redox state correlated with oxidative stress and heart failure, differentially treated hSC-derived cardiac organoids (cardioids) were subjected to parallel mass spectrometry-based redox metabolomic and quantitative proteomic analyses. The impact of glucose availability and oxygen levels on the redox environment was within homeostatic range based on the adaptive abundance of antioxidative enzymes specific to increased glycolytic flux or mitochondrial activity. Cardioids displayed distinct changes in the expression of proteins involved in collagen synthesis and modification, stress-mediated extracellular matrix remodelling, lipid metabolism and ion transport, as previously observed in preliminary data in the tissue of failing hearts. Additionally, metabolic alterations in response to hypoxic signalling further illustrate the impact of local oxygen concentrations on cellular activity.Results further disclosed the embryonic metabolic phenotype of the cardioid model. With glycolysis appearing to be the preferred catabolic pathway compared to fatty acid oxidation and high glucose levels being very well tolerated, further in vitro models for investigating nutrient-driven redox signalling were explored. In efforts to improve the translational ability of AC16 human cardiomyocytes, a collection of differentiation media was designed and evaluated. RT-qPCR analysis of AC16 cells cultured in a defined, serum-free bovine serum albumin/lipid concentrate medium revealed an improved phenotype as per increased gene expression of multiple cardiomyocyte-specific markers (ACTN2, TNNT2, TNNI3). Additionally, results indicate changes in gene expression as early as after 48 h of treatment. A maturation protocol building on these results has since been implemented.Further elucidation of the intricate pathomolecular events in heart failure will require patient-derived samples and utilization of cardiac in vitro models appropriate to their respective translational ability to drive the discovery and validation of novel strategies in diagnosis and treatment.

Oxidativer Stress spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten verschiedener Krankheiten. Bei Herzinsuffizienz, einer der häufigsten Todesursachen weltweit, wird oxidativer Stress mit mehreren Risikofaktoren wie Diabetes und metabolischem Syndrom in Verbindung gebracht. Herzkrankheiten in verschiedenen Stadien können weiter mit einem gestörten Stoffwechsel in den Herzzellen in Verbindung gebracht werden. Um die Wechselwirkung zwischen anormalem Stoffwechsel und Veränderungen des Redoxzustands des Herzmuskels zu untersuchen, wurden unterschiedlich behandelte hSC-Herzorganoide (Kardioide) massenspektrometrischen Redoxmetabolom- und quantitativen Proteomanalysen unterzogen. Die Auswirkungen des Sauerstoffgehalts und der Verfügbarkeit von Glukose auf das Redoxmilieu lagen im homöostatischen Bereich, basierend auf der adaptiven Häufigkeit antioxidativer Enzyme, die jeweils spezifisch für einen erhöhten glykolytischen Fluss oder mitochondriale Aktivität sind. Kardioide wiesen deutliche Veränderungen in der Expression von Proteinen auf, die an der Kollagensynthese, dem stressvermittelten Umbau der extrazellulären Matrix, dem Lipidstoffwechsel und dem Ionentransport beteiligt sind, wie dies bereits in früheren Untersuchungen beobachtet wurde. Darüber hinaus verdeutlichen Adaptionen des Stoffwechsels in Reaktion auf hypoxische Signale die Konsequenzen lokaler Sauerstoffkonzentrationen. Die Ergebnisse zeigten weiter den embryonalen Stoffwechselphänotyp des Kardioidmodells auf. Da die Glykolyse im Vergleich zur Fettsäureoxidation metabolisch präferiert wird und hohe Glukosespiegel toleriert werden, wurde nach alternativen in vitro Modellen zur Untersuchung der nährstoffabhängigen Redox-Signalübertragung gesucht. In dem Bemühen, die Translationsfähigkeit von AC16 menschlichen Kardiomyozyten zu verbessern, wurden eine Reihe von Differenzierungsmedien evaluiert. RT-qPCR-Analysen von AC16-Zellen, die in einem definierten, serumfreien Rinderserumalbumin/Lipidkonzentrat-Medium kultiviert wurden, ergaben einen differenzierteren Phänotyp entsprechend einer erhöhten Genexpression mehrerer kardiomyozytenspezifischer Marker (ACTN2, TNNT2, TNNI3). Darüber hinaus konnten Adaptionen bereits nach 48 Stunden identifiziert werden. Resultate wurde inzwischen implementiert. Weitere Aufklärung der komplexen pathomolekularen Vorgänge bei Herzinsuffizienz werden geeigneten in vitro Herzmodellen erfordern.