000145308 001__ 145308 000145308 005__ 20241021152645.0 000145308 037__ $$aTESIS-2024-463 000145308 041__ $$aeng 000145308 1001_ $$aGarcía Mendívil, Laura 000145308 24500 $$aEx vivo, in vitro and in silico characterization of human cardiac aging and its impact on Arrhythmic risk. Caracterización ex vivo, in vitro e in silico del envejecimiento cardiaco humano y su impacto en el riesgo arrítmico 000145308 260__ $$aZaragoza$$bUniversidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad$$c2023 000145308 300__ $$a175 000145308 4900_ $$aTesis de la Universidad de Zaragoza$$v2024-452$$x2254-7606 000145308 500__ $$aPresentado: 26 05 2023 000145308 502__ $$aTesis-Univ. Zaragoza, , 2023$$bZaragoza, Universidad de Zaragoza$$c2023 000145308 506__ $$aby-nc$$bCreative Commons$$c3.0$$uhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/es 000145308 520__ $$aLas enfermedades cardiovasculares (ECV) son la principal causa de muerte a nivel mundial. Una proporción relevante de pacientes con ECV desarrollan arritmias, algunas de las cuales pueden conducir a la muerte cardiaca súbita. El envejecimiento es uno de los principales factores de riesgo de las ECV, en general y de las arritmias en particular. En el corazón, el envejecimiento se asocia a cambios moleculares y celulares que acaban provocando un remodelado estructural y funcional. Entre las alteraciones cardiacas asociadas a la edad se encuentran la inestabilidad genómica, la pérdida de proteostasis, la senescencia celular, el remodelado de la matriz extracelular, la alteración de la comunicación intercelular y la expresión génica, entre otros. La mayoría de los estudios de envejecimiento cardiaco se han realizado en modelos animales, de limitado valor traslacional, siendo la investigación en humanos escasa y de naturaleza mayoritariamente transversal debido a las limitaciones inherentes asociadas a la investigación en humanos. <br />Además, el envejecimiento cardiaco se realiza sobre todo en relación a la edad cronológica (EC), un índice temporal que no tiene en cuenta la tasa de envejecimiento individual y, por tanto, no explica necesariamente el estado biológico de un individuo o un órgano. La edad biológica (EB) de un órgano, percibida como su estado estructural y funcional real, comprende factores genéticos y ambientales que actúan conjuntamente a lo largo del tiempo. Un conocimiento más profundo sobre los mecanismos moleculares y celulares implicados en el envejecimiento cardiaco humano, junto con el desarrollo de modelos longitudinales de envejecimiento cardiaco humano, podrían impulsar el desarrollo de herramientas no invasivas para la detección precoz y la prevención de arritmias asociadas a la edad. <br />Esta tesis investiga los rasgos distintivos del envejecimiento en el ventrículo izquierdo (VI) humano mediante el análisis molecular e histológico de muestras de VI de donantes vivos combinado con metodologías in vitro e in silico. Los mecanismos cardiacos relacionados con la edad estudiados en la tesis son la expresión génica, con especial atención a los miRNAs (reguladores pleiotrópicos postranscripcionales) y el remodelado de la fibrosis y CX43, siendo esta última un componente principal de las uniones GAP en el VI humano. Tomando como base las caracterizaciones experimentales realizadas, se han creado modelos in vitro e in silico para avanzar en el estudio del impacto que el envejecimiento tiene en el corazón humano. <br />El capítulo 2 estudia de manera transversal la dinámica transcripcional del miocardio envejecido en relación con la EC y la EB, centrándose en los miRNAs como reguladores clave de la expresión génica. Esta tesis demuestra el potencial de CDKN2A y AppAge como descriptores transcriptómicos de EB del VI además de su capacidad para revelar cambios asociados a la edad de una forma más precisa que la EC. Sobre la base de los resultados relacionados con CKDN2A, se ha construido una red bioinformática de regulación génica específica del VI controlada por miRNAs relacionados con la EB (BIO-AGEmiRNA) que proporciona nuevos conocimientos sobre los posibles mecanismos regulados por miRNAs en el deterioro del VI inducido por la edad. Además, se proponen dos BIO-AGEmiRNAs relacionados con el VI que están presentes en plasma y son, por tanto, posibles biomarcadores sanguíneos no invasivos del miocardio envejecido. <br />El capítulo 3 caracteriza la expresión de LMNA y LMNA Δ50 en el miocardio humano a partir de la mediana edad y desarrolla y caracteriza una línea hiPSC de expresión inducible de LMNA Δ50 bajo la hipótesis de que el envejecimiento prematuro inducido por LMNA Δ50 puede recapitular aspectos fundamentales del envejecimiento cardiaco natural. Esta tesis descarta que la LMNA Δ50 intervenga en el envejecimiento cardiaco natural, mientras que la expresión inducible de LMNA Δ50 en cardiomiocitos derivados de hiPSC recapitula rasgos distintivos del envejecimiento y cambios en la expresión génica observados en el envejecimiento fisiológico del corazón humano. <br />El capítulo 4 analiza el remodelado del colágeno (cantidad, agregación y distribución espacial) a partir de la mediana edad en el VI humano en relación a la EC y la EB. De forma complementaria, se realiza el mismo análisis en un modelo animal clínicamente relevante, el cerdo, desde la edad adulta hasta la vejez. A partir de la mediana edad, los cambios en las características del colágeno muestran una escasa relación con la EC, pero están estrechamente relacionados con la cantidad de lipofuscina o pigmento de la edad. La consistencia entre los resultados en cerdos y en humanos destaca el valor del cerdo como modelo relevante y traslacional para estudiar el remodelado del VI en función de la edad. Los resultados de la caracterización experimental se han integrado en modelos in silico de electrofisiología del VI humano de manera paciente-específica para evaluar el efecto arrítmico de la fibrosis. Esta tesis demuestra que las alteraciones con la edad tanto en la cantidad como en la organización de la fibrosis aumentan la vulnerabilidad a las arritmias. <br />El capítulo 5 caracteriza el remodelado de la CX43 (contenido, nivel de expresión, heterogeneidad y lateralización) y su relación con la fibrosis en el VI humano a partir de la mediana edad en función de la EC y la EB. En la población analizada, no se observa un remodelado significativo de las características relativas a CX43 a partir de la mediana edad, ni por EC ni por EB. Además, no existe correlación entre las características de la CX43 y la deposición de fibrosis, en contraste con observaciones en modelos animales. Se han construido modelos tisulares computacionales de la actividad eléctrica ventricular humana, que representan los datos obtenidos. Los resultados de la simulación muestran que una reducción en la cantidad de la CX43 y/o un incremento en su heterogeneidad espacial combinados con mayores niveles de fibrosis, como se cuantifica en algunos individuos, conducen a un aumento del riesgo proarrítmico determinado por un incremento de la dispersión espacial de la repolarización y una ampliación de la ventana temporal en la que se producen arritmias por reentrada desencadenadas por latidos prematuros. <br />En conclusión, esta tesis aporta una caracterización experimental exhaustiva de los rasgos distintivos del envejecimiento cardiaco humano en relación con la EC y la EB; la cuantificación del riesgo de arritmias ventriculares asociado a los rasgos distintivos analizados, basada en modelizaciones y simulaciones computacionales biofísicamente detalladas; y la creación y caracterización de un modelo in vitro de envejecimiento celular cardiaco que recapitula cambios observados experimentalmente en humanos. Además, esta tesis demuestra la importancia de la investigación interdisciplinar e integradora para generar nuevo conocimiento sobre el envejecimiento cardiaco humano, que puede ser la base para futuras estrategias que lleven a un envejecimiento cardiaco saludable. <br /> 000145308 520__ $$aCardiovascular diseases (CVDs) are the leading cause of death in the world. A relevant proportion of patients with CVDs develop arrhythmias and some of these arrhythmias can lead to sudden cardiac death. Aging is a major risk factor for CVDs, in general, and arrhythmias, in particular. In the heart, aging is associated with molecular and cellular changes that eventually lead to structural and functional remodeling. Numerous mechanisms are involved in age-related alterations of the heart, including genomic instability, loss of proteostasis, cellular senescence, extracellular matrix remodeling, altered intercellular communication and gene expression, among others. Most studies on cardiac aging have been conducted in animal models of limited translational value, being human research scant and mostly cross-sectional in nature due to inherent limitations associated with human research. In addition, cardiac aging is mostly addressed in relation to chronological age (CA), a mere time index that does not account for the individual aging rate and, thus, does not necessarily explain the biological condition of an individual or an organ. The biological age (BA) of an organ, perceived as its actual structural and functional state, comprises both genetic and environmental factors acting together over time. An improvement in the knowledge regarding the molecular and cellular mechanisms involved in human cardiac aging along with the development of longitudinal human-based models of cardiac aging could advance the development of non-invasive tools for the early detection and the prevention of age-related arrhythmias. This thesis investigates aging hallmarks in the human left ventricle (LV) by combining molecular and histological analysis of LV samples from living donors with in vitro and in silico methodologies. The studied age-related cardiac mechanisms are gene expression, with a focus on miRNAs (key pleiotropic post-transcriptional regulators), fibrosis deposition and CX43 remodeling. Taking the conducted experimental characterizations as a basis, in vitro and in silico models are created to further investigate the impact of aging on the human heart. Chapter 2 studies the transcriptional dynamics of the aging myocardium in relation to CA and BA, with a focus on miRNAs as key regulators of gene expression. This thesis proves the potential of CDKN2A and AppAge as LV transcriptomic BA descriptors and shows they perform better than CA to unveil age-related changes in a cross-sectional study. Based on CKDN2A-related results, a bioinformatics LV-specific gene regulation network controlled by BA-related miRNAs provides new insights into the potential mechanisms regulated by miRNAs in age-induced LV impairments. Also, two LV-enriched BA-related miRNAs present in plasma are proposed as potential non-invasive blood biomarkers of the aging myocardium. Chapter 3 characterizes LMNA and progerin mRNA expression in human myocardium from midlife onwards and develops and characterizes a progerin mRNA inducible-expression hiPSC line under the hypothesis that progerin mRNA-induced premature aging can recapitulate fundamental aspects of natural cardiac aging. This thesis rules out progerin mRNA as a major contributor to natural cardiac aging, while the progerin mRNA inducible expression in hiPSC-derived cardiomyocytes recapitulates the hallmarks of aging and gene expression changes observed in physiological aging. Chapter 4 analyzes collagen remodeling (amount, aggregation, and spatial distribution) beyond midlife in human LV tissue in relation to CA and BA. Complementarily, the same analysis is performed in a clinically relevant animal model, namely the pig, from adulthood to elder age. From midlife onwards, changes in collagen characteristics are shown to have a poor relationship with CA but to be more closely related to the values of the age pigment lipofuscin. Consistency between pig and human results supports the pig as a relevant and translational model to study age-related LV remodeling. The outcomes of the experimental analysis are integrated into in silico models of human LV electrophysiology to assess the arrhythmic effect of fibrosis remodeling. Alterations in both the amount and the organization of fibrosis to the degrees observed in old individuals are shown to enhance arrhythmia vulnerability. Chapter 5 characterizes CX43 remodeling (content, expression level, heterogeneity, and lateralization) and its relationship with fibrosis in the human LV beyond midlife. Characterizations are conducted in relation to CA and BA. Non-significant CX43 remodeling beyond midlife either by CA or BA is found in the analyzed population. Also, there is absence of correlation between CX43 characteristics and fibrosis deposition. In silico LV tissue models of human ventricular electrical activity are built, which account for the CX43 and fibrosis characteristics quantified in the study population. Simulation results show that a reduction in the amount of CX43 and/or an increment in CX43 spatial heterogeneity combined with higher levels of fibrosis, as quantified in some individuals, lead to increased proarrhythmic risk, with increased spatial dispersion of repolarization and widening of the temporal window for reentrant arrhythmias triggered by premature beats. In conclusion, this thesis provides: a thorough experimental characterization of human cardiac aging hallmarks in relation to CA and BA; quantification of the risk for ventricular arrhythmias associated with the analyzed hallmarks based on biophysically detailed in silico modeling and simulation; and the creation and characterization of an in vitro model of cardiac cellular aging. This thesis illustrates the importance of using integrative interdisciplinary research to generate new insights into human cardiac aging, which can be the basis for future strategies towards healthy cardiac aging.<br /> 000145308 521__ $$97098$$aPrograma de Doctorado en Ingeniería Biomédica 000145308 540__ $$9info:eu-repo/semantics/openAccess 000145308 6531_ $$atecnología médica 000145308 6531_ $$acardiología 000145308 6531_ $$asimulación 000145308 6531_ $$abiología molecular 000145308 691__ $$a0 000145308 692__ $$a 000145308 700__ $$aPueyo Paules, Esther$$edir. 000145308 700__ $$aOrdovás Vidal, Laura$$edir. 000145308 7102_ $$aUniversidad de Zaragoza$$b 000145308 830__ $$9510 000145308 8560_ $$fcdeurop@unizar.es 000145308 8564_ $$uhttps://zaguan.unizar.es/record/145308/files/TESIS-2024-463.pdf$$zTexto completo (eng) 000145308 909CO $$ooai:zaguan.unizar.es:145308$$pdriver 000145308 909co $$ptesis 000145308 9102_ $$aIngeniería y Arquitectura$$b 000145308 980__ $$aTESIS