Macrofagi cardiaci

I macrofagi cardiaci sono cellule della difesa innata presenti nel cuore.

Il cuore è un organo multicellulare complesso composto da cardiomiociti, che costituiscono il 30% delle cellule del cuore e da altri tipi cellulari, che rappresentano il restante 70% e includono: fibroblasti cardiaci, cellule stromali di supporto (c.d. telociti)(Bani D., 2016), cellule endoteliali e cellule muscolari lisce dei vasi sanguigni, cellule staminali e appunto cellule della difesa come i macrofagi.

Queste popolazioni hanno caratteristiche e funzioni distinte e lavorano a stretto contatto per determinare le proprietà strutturali, biochimiche, meccaniche ed elettrofisiologiche essenziali per il mantenimento di un'efficace funzione miocardica (Xin M., 2013)[1]. I cardiomiociti sono cellule muscolari responsabili della generazione della forza contrattile; i fibroblasti producono e rimodellano la matrice extracellulare in risposta a stimoli fisiologici o patologici; i telociti sono coinvolti nell'organizzazione tridimensionale del cuore durante le fasi iniziali dello sviluppo embrionale e nell'omeostasi del tessuto cardiaco adulto, le cellule endoteliali formano il rivestimento interno dei vasi sanguigni e delle valvole cardiache; le cellule della difesa innata, come monociti e macrofagi, invece, possono essere grossolanamente suddivise in due popolazioni: i monociti reclutati dal sangue, che sembrano avere un ruolo predominante nella riparazione delle lesioni e i macrofagi residenti, derivati dai progenitori embrionali, che sono coinvolti nell'omeostasi del tessuto cardiaco (Epelman S 2014)[2].

In seguito ad invecchiamento, l’auto-rinnovamento dei macrofagi residenti cardiaci diminuisce e questi ultimi possono essere sostituiti da quelli derivati dai monociti circolanti, anche in assenza di stimoli infiammatori o patologici (Gomez I., 2018)[3].

Entrando più nel dettaglio, nell’uomo i macrofagi cardiaci di derivazione embrionale e quelli di derivazione monocitaria possono essere distinti in base all’espressione sulla loro membrana cellulare del recettore per le chemochine di tipo 2 (CCR2): i macrofagi CCR2+, che derivano dai monociti e i macrofagi CCR2-, di origine embrionale (O'Rourke SA, 2019)[4].

Il ligando del recettore CCR2 è la chemochina 2 (CCL2), nota anche come monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), fondamentale per il reclutamento dei monociti.

Tuttavia, è importante sottolineare che i macrofagi CCR2- e CCR2+ hanno funzioni distinte nel cuore. I macrofagi CCR2-, attraverso i fattori di crescita e le citochine prodotte, sono coinvolti nel rimodellamento tissutale come nella crescita coronarica e nell'espansione vascolare (Lavine K.J., 2016)[5]; ad esempio, in seguito a una lesione neonatale dei cardiomiociti, gestiscono la rigenerazione del tessuto cardiaco, il recupero della funzionalità del cuore attraverso la crescita vascolare e la proliferazione dei cardiomiociti. In assenza di questi ultimi il cuore mostrerebbe scarsa capacità rigenerativa.

Le funzioni dei macrofagi CCR2+, invece, non sono state completamente definite dagli studiosi; sappiamo, però, che derivano dai monociti con potenziale pro-infiammatorio e sembra che agiscano durante la fase iniziale dell'infiammazione. Ad esempio, in seguito ad un danno da riperfusione ischemica, i macrofagi CCR2+ contribuiscono al reclutamento dei neutrofili attraverso la produzione di chemochine infiammatorie, come CXCL2 e CXCL5 (Bajpai G., 2018)[6]. Questi macrofagi, inoltre, sono anche responsabili del rilascio di IL-1β e IL-18.

I macrofagi residenti nel cuore in condizioni fisiologiche, oltre ad essere coinvolti nella fagocitosi di batteri, sono responsabili dell’eliminazione delle cellule apoptotiche e dei cardiomiociti invecchiati o morenti (Swirski F.K., 2016)[7]. Tuttavia, il ruolo dei macrofagi risulta essere essenziale a seguito di una lesione; in particolare, dopo l'infarto del miocardio i segnali infiammatori reclutano macrofagi e monociti nel sito del danno, dove contribuiscono alla guarigione. La prima fase della guarigione comporta la rimozione del tessuto danneggiato e la secrezione degli enzimi proteolitici, mentre la fase successiva è caratterizzata dal reclutamento/differenziamento dei miofibroblasti, caratterizzati dall’espressione di a-SMA (alpha-smooth muscle actin), dalla deposizione di collagene e dall'angiogenesi.

Un modello sperimentale di infarto del miocardio ha reso possibile l’osservazione del fatto che il numero e il fenotipo dei macrofagi cardiaci sono influenzati dalle condizioni patologiche e infiammatorie. I cardiomiociti stressati possono rilasciare un ampio repertorio di segnali istruttivi capaci di reclutare i monociti del sangue, polarizzare il loro fenotipo e modulare la loro azione. È pertanto evidente che i macrofagi sono cellule di supporto molto importanti per i cardiomiociti e svolgono processi di rimodellamento nel tessuto cardiaco.

Ruolo dei macrofagi cardiaci nella conduzione cardiacaModifica

La generazione dell’impulso elettrico ha luogo nel nodo senoatriale (NSA), questo è situato nell’atrio destro e rappresenta il pacemaker naturale del cuore; successivamente si propaga attraverso le vie internodali nel nodo atrioventricolare (NAV) e nei sistemi di His e di Purkinje, che diffondono il segnale ai ventricoli. Il nodo atrioventricolare, essendo l'unica connessione elettrica tra atri e ventricoli, svolge un ruolo essenziale nel coordinare la contrazione delle camere atriali e ventricolari. Fino a poco tempo fa si pensava che il sistema di conduzione del nodo atrio-ventricolare fosse controllato esclusivamente dai cardiomiociti, ma studi recenti hanno dimostrato che sono coinvolti anche i macrofagi cardiaci.

In uno studio recente, pubblicato su Cell, Hulsmans e i suoi colleghi hanno dimostrato una importante collaborazione fra cardiomiociti e macrofagi residenti a livello del sistema del nodo atrioventricolare. Ed è stato visto che il nodo atrioventricolare contiene più macrofagi del ventricolo sinistro e che queste cellule sono a forma di fuso con delle lunghe estensioni citoplasmatiche per stabilire contatti con le cellule adiacenti (Harari E., 2017)[8] (Hulsman M., 2017)[9].

I macrofagi cardiaci stabiliscono connessioni dirette con i cardiomiociti attraverso giunzioni comunicanti o gap, formate da proteine chiamate connessine.

Una grande varietà di connessine sono espresse nel sistema cardiovascolare, tra cui le connessine 40, 43 e 45, che sono le più abbondanti nel cuore (Johnson R.P., 2018)[10]. In particolare, la connessina 43 (Cx43) è quella che si trova principalmente fra i miociti atriali e ventricolari ed è quella maggiormente espressa dai macrofagi cardiaci.

Hulsmans e i suoi colleghi hanno dimostrato che i macrofagi residenti nel nodo atrioventricolare interagendo con i cardiomiociti attraverso le giunzioni gap, costituite soprattutto da Cx43, contribuiscono a modulare la conduzione elettrica. A questo livello la presenza dei macrofagi potrebbe essere fondamentale nel determinare un rallentamento della frequenza del nodo seno-atriale, così da far contrarre i ventricoli qualche frazione dopo gli atri.

È stato visto che i macrofagi cardiaci hanno un potenziale di membrana a riposo di circa -35 mV quindi sono più depolarizzati rispetto ai cardiomiociti; secondo alcuni modelli questo influenza le proprietà elettriche dei cardiomiociti accoppiati rendendo il loro potenziale di membrana a riposo più positivo e accelerando la fase di ripolarizzazione.

Il ruolo della Connessina 43 espressa dai macrofagi cardiaciModifica

Le connessine sono glicoproteine transmembrana che si associano in gruppi di 6 unità per formare una struttura proteica denominata connessone o emichannel. Ciascun monomero è formato da quattro domini transmembrana, due regioni extracellulari e una citoplasmatica.

Due connessoni o emichannel di due cellule adiacenti possono interagire fra loro tramite le anse extracellulari e formare una gap junction, cioè una giunzione comunicante che permette il passaggio di piccole molecole (< 1 kDa) e ioni da una cellula all’altra, consentendo a due cellule adiacenti di collegarsi sia metabolicamente che elettricamente (Fig. 2).

Le connessine che formano tali strutture sono caratterizzate da un rapido turnover (emivita 1-5 ore) (Severs NJ, 2008)[11] (Saffitz JE, 2000)[12].

Nell'uomo sono state identificate più di 20 connessine diverse e tutte sono identificate in base al loro peso molecolare, espresso in kilodalton.

È possibile trovare la Cx43 nella maggior parte delle cellule dei tessuti e nelle cellule immunitarie; le connessine hanno ruoli fondamentali nello sviluppo dell’organismo; sono essenziali per la funzione delle cellule eccitabili, come neuroni, cardiomiociti e cellule muscolari lisce. Inoltre, hanno una pletora di ruoli essenziali nei tessuti non eccitabili, tra cui la regolazione della proliferazione e differenziazione cellulare e il mantenimento dell'omeostasi dei tessuti (Totland M.Z., 2019)[13]. Nel cuore, in particolare, possono collegare elettricamente sia una coppia di cardiomiociti che, come descritto nel paragrafo precedente, un miocita e un macrofago per coordinare la contrazione e il rilassamento atriale e ventricolare.

Le giunzioni gap mediano la propagazione del potenziale di azione e il regolare mantenimento del battito.

Dati recenti suggeriscono che gli emichannel non accoppiati possano aprirsi temporaneamente in risposta a stress cellulare, ad esempio in condizioni di ipossia. Inoltre, è stata avanzata l’idea che questi emichannel siano permeabili anche a secondi messaggeri come ATP o NAD+, indicando il loro potenziale coinvolgimento nella segnalazione cellulare.

Hulsman et al. dopo aver osservato che i macrofagi attraverso le giunzioni gap formate da Cx43, sono capaci di modulare elettricamente i cardiomiociti a cui sono associati, hanno dimostrato nello specifico il ruolo dei macrofagi residenti nel cuore e l’importanza della Cx43 da essi espressa. Per fare ciò, hanno studiato la conduzione elettrica in topi knockout per la Cx43 nei macrofagi, in topi che avevano una mancanza congenita di macrofagi ed in topi a cui era stata fatta un’ablazione acuta di macrofagi cardiaci. Come era atteso, in tutti e tre i casi hanno registrato delle anomalie nella conduzione cardiaca, in particolare al livello nel nodo atrioventricolare.

Ciò indica che l’assenza della Cx43 nei macrofagi cardiaci compromette la conduzione elettrica a livello del nodo atrioventricolare e può portare ad alterazioni della conduzione elettrica del cuore.

Queste dimostrazioni hanno spinto gli scienziati ad ipotizzare che alterazioni dei macrofagi possano essere talvolta responsabili delle anomalie relative alla conduzione cardiaca come la fibrillazione atriale e le aritmie ventricolari.

Tornando al rapporto tra giunzioni gap e conduzione cardiaca, è recentemente emersa la prova che un'alterata distribuzione di queste giunzioni e cambiamenti nell'espressione delle connessine possano portare ad un accoppiamento anormale tra cardiomiociti e probabilmente contribuire all’insorgenza di aritmie, come la fibrillazione atriale (Lazzerini P.E., 2019)[14]. In questo lavoro viene suggerito che uno dei fattori che può influenzare direttamente l’espressione delle connessine, con conseguente disfunzione delle giunzioni gap e, quindi, della conduzione elettrica, può essere la presenza di un’infiammazione sistemica, condizione frequente in pazienti con malattie infiammatorie croniche come artriti, psoriasi, malattie infiammatorie intestinali, ma anche in presenza di condizioni infiammatorie acute come recentemente osservato in pazienti affetti da COVID-19 (Lazzerini PE, 2020)[15] (Capecchi P.L., 2020)[16].

L’infiammazione sistemica, tramite l’aumento delle citochine, in particolare dell’interleuchina-6, induce rapidamente il rimodellamento elettrico atriale mediante la riduzione delle connessine espresse dai cardiomiociti.

Come dimostrato da Lazzerini la presenza dell’IL-6 induce una riduzione dell’espressione di Cx43 nelle cellule HL-1, una linea di cardiomiociti atriali murini.

L'influenza dell'Interleuchina-6 sull'espressione della Cx43 nei macrofagiModifica

Le interleuchine sono piccole proteine di circa 15-20 kDa secrete dalle cellule del sistema immunitario. Sono importanti nella segnalazione autocrina, paracrina e endocrina e hanno una vita media di pochi minuti; esse costituiscono uno dei meccanismi più importanti di segnalazione cellulare a livello del sistema immunitario e ne coordinano lo sviluppo e l'attività.

Le citochine sono raggruppate in famiglie in base alla loro struttura, specificità e composizione dei complessi recettoriali a cui si legano.

Le subunità recettoriali comuni implicano somiglianza nella trasduzione del segnale intracellulare.

La famiglia dell’interleuchina-6 è costituita da IL-6, IL-11, fattore neurotrofico ciliare (CNTF), fattore inibitorio della leucemia (LIF), oncostatina M (OSM), cardiotropina 1 (CT-1), citochine simili a cardiotrofine (CLC) e IL-27.

Queste citochine sono coinvolte nella stimolazione delle cellule B, nell’induzione di un’ampia gamma di proteine di fase acuta a livello del fegato, nella regolazione dell'equilibrio tra cellule T regolatorie ed effettrici, nelle funzioni metaboliche e neurotrofiche.

È stato dimostrato che il blocco delle citochine della famiglia IL-6 è utile nelle malattie autoimmuni, ma in seguito sono stati osservati effetti collaterali

metabolici ed una maggiore suscettibilità ad infezioni batteriche.

Sappiamo che le citochine della famiglia IL-6, come essenzialmente tutte le altre citochine, possiedono quattro eliche; invece di mostrare un’omologia di sequenza, sono caratterizzate da un'elevata somiglianza strutturale.

Tale omologia strutturale si estende anche ai loro recettori, che appartengono tutti alla superfamiglia delle immunoglobuline e contengono un modulo di legame delle citochine costituito da domini tandem della fibronectina III in cui il dominio ammino terminale contiene un set di quattro cisteine conservate e il dominio prossimale della membrana contiene un triptofano-serina-X-

triptofano-serina.

Non erano conosciute le proprietà strutturali e funzionali dell'IL-6 e del suo recettore IL-6R fino a quando un gruppo di ricercatori ha osservato che IL-6R interagiva con una glicoproteina da 130 kDa (gp130), che funzionava da co-recettore di trasduzione del segnale per la classe di citochine della famiglia dell’IL-6. È stato scoperto, inoltre, che solo quando IL-6 lega il recettore IL-6R induce la dimerizzazione di gp130 e avvia una segnalazione intracellulare; né IL-6 né IL-6R da soli hanno la capacità di attivare gp130.

La proteina gp130 è espressa su tutte le cellule del corpo umano e la segnalazione intracellulare indotta dalla stessa è principalmente mediata dalle JAK chinasi associate costitutivamente alla porzione citoplasmatica, che inducono il reclutamento e l'attivazione dei fattori di trascrizione (STAT).

STAT fosforilata da JAK dimerizza e migra nel nucleo come fattore di trascrizione per dare il via alla trascrizione di batterie di geni specifiche.

La Janus chinasi principale è JAK1 e il principale fattore di trascrizione è STAT3.

È interessante notare che alcune citochine della famiglia IL-6 (IL-6, IL-11, CNTF, CLC e CT-1) si legano ai loro specifici recettori e questi ultimi presentano il loro ligando al complesso recettoriale contenente gp130 omodimerico o eterodimerico; mentre altre (LIF, OSM, IL-27 e IL-31), al contrario, interagiscono direttamente con le due subunità del recettore senza l'aiuto di un co-recettore.

l'IL-6 non si lega solo al recettore legato alla membrana (IL-6R) ma anche ad un recettore solubile (sIL-6R), che in presenza di IL-6, può stimolare le cellule che non esprimono IL-6R. Le cellule, che esprimono gp130 ma non IL-6R, non rispondono a IL-6, ma possono essere stimolate dal complesso di IL-6 e sIL-6R. Questo processo è stato chiamato "trans-segnalazione" ed è stato ipotizzato che questo tipo di segnalazione, tramite un recettore solubile, contribuisca ad ampliare lo spettro delle cellule bersaglio per IL-6.

La segnalazione classica dell’IL-6, tramite il recettore di membrana (IL-6R), porta ad attività protettive e rigenerative; mentre la trans-segnalazione tramite recettore solubile (sIL-6R) porta all'attivazione del sistema immunitario e ad un aumento delle attività pro-infiammatorie.

I livelli di IL-6 nel sangue di individui sani sono compresi tra 1 e 5 pg / mL e valori più alti sono indice di infiammazione; in condizioni settiche letali possono anche raggiungere livelli di diversi µg/mL.

I livelli di sIL-6R sono stati trovati nell'intervallo di 40-75 ng / mL, mentre i livelli di sgp130 sono circa 250-400 ng / mL.

L'IL-6 secreta dalle cellule si legherà nel sangue a sIL-6R e il complesso di IL-6 e sIL-6R si legherà a sgp130, portando alla neutralizzazione dell'attività di IL-6. Pertanto, sIL-6R e sgp130 nel sangue possono formare un tampone per IL-6.

Le malattie autoimmuni come l'artrite reumatoide sono caratterizzate da elevati livelli di IL-6 e la neutralizzazione dell'attività di IL-6 da parte dell'anticorpo monoclonale tocilizumab specifico per IL-6R è stata approvata in più di 100 paesi.

Come è stato precedentemente accennato, alte concentrazioni di IL-6, durante un’infiammazione sistemica, influenzano direttamente l’espressione delle connessine, che costituiscono le giunzioni gap, portando ad una loro disfunzione.

In particolar modo nel cuore, dove la Cx-43 è quella maggiormente espressa, questa disfunzione può portare quindi a fibrillazioni atriali.

NoteModifica

  1. ^ Mei Xin, Eric N. Olson e Rhonda Bassel-Duby, Mending broken hearts: cardiac development as a basis for adult heart regeneration and repair, in Nature Reviews. Molecular Cell Biology, vol. 14, n. 8, 2013-08, pp. 529–541, DOI:10.1038/nrm3619. URL consultato il 4 maggio 2021.
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  5. ^ Kory J. Lavine, Slava Epelman e Keita Uchida, Distinct macrophage lineages contribute to disparate patterns of cardiac recovery and remodeling in the neonatal and adult heart, in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 111, n. 45, 11 novembre 2014, pp. 16029–16034, DOI:10.1073/pnas.1406508111. URL consultato il 4 maggio 2021.
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17. Bani D. Telocytes in cardiac tissue architecture and development. Adv Exp Med Biol. 2016;913:127-137. doi: 10.1007/978-981-10-1061-3_8.