Dimensional cardiac microtissue model for investigation of cardiovascular complications in psoriasis

Łuszczyca jest chorobą ogólnoustrojową, charakteryzującą się przewlekłym stanem zapalnym. Kluczowym czynnikiem patologicznym jest nadmierna aktywacja układu odpornościowego prowadząca do podniesionego poziomu cytokin prozapalnych, m. in. IL-17, co może zwiększać ryzyko wystąpienia chorób sercowo-naczyniowych (CVD). Ze względu na trudności w badaniu podłoża podwyższonego ryzyka CVD u pacjentów z łuszczycą, konieczne jest opracowanie modelu komórkowego, którego przykładem mogą być mikrotkanki serca (cMTs) wykorzystane w tej pracy. Z iPSCs uzyskanych z PBMC pacjenta z łuszczycą różnicowano trzy typy komórek występujących w natywnym sercu: kardiomiocyty (iPSC-CMs), komórki śródbłonka (iPSC-ECs) oraz kardiofibroblasty (iPSC-CFs). Otrzymane linie komórkowe zostały scharakteryzowane pod względem fenotypowym i funkcjonalnym, z wykorzystaniem metod IF, FACS i qPCR. Następnie komórki te połączono w cMTs, odzwierciedlające środowisko rozwijającego się mięśnia sercowego. W dalszym etapie oceniano wpływ IL-17A oraz sekukinumabu – leku stosowanego w terapii łuszczycy, na proces unaczynienia cMTs. Otrzymane iPSC-CMs wykazywały typową morfologię kardiomiocytów, obecność specyficznych markerów oraz spontaniczną kurczliwość charakterystyczną dla rozwijającego się serca. iPSC-ECs również cechowały się typową morfologią oraz ekspresją charakterystycznych markerów komórek śródbłonka. iPSC-CFs charakteryzowały się wydłużoną morfologią, obecnością specyficznych markerów oraz zdolnością do włóknienia pod wpływem aktywacji szlaku TGF-β. Uformowane cMTs wykazywały prawidłową organizację struktur komórkowych, obecność markerów specyficznych dla poszczególnych typów komórek oraz uwidoczniły powstanie sieci naczyniowych, imitujących naczynia krwionośne. Stymulacja cMTs IL-17A spowodowała statystycznie istotne zwiększenie powierzchni oraz objętości unaczynienia. Efekt ten został zahamowany po podaniu sekukinumabu, co wskazuje na wpływ tego leku na proliferację komórek śródbłonka.Opracowany model cMTs stanowi obiecujące narzędzie do badania powiązań pomiędzy przewlekłym stanem zapalnym, a zmianami sercowo-naczyniowymi zachodzącymi w układzie krążenia pod wpływem cytokin prozapalnych. Ponadto może znaleźć zastosowanie do oceny skuteczności leków przeciwzapalnych ukierunkowanych na poprawę funkcji śródbłonka.

Psoriasis is a systemic disease characterized by chronic inflammation. A key pathological factor is the excessive activation of the immune system, leading to elevated levels of proinflammatory cytokines, including IL-17, which may increase the risk of developing cardiovascular diseases (CVD). Due to the challenges in studying the underlying mechanisms of elevated CVD risk in patients with psoriasis, the development of appropriate cellular models is necessary, such as cardiac microtissues (cMTs), which were used in this study.Three types of cardiac cell populations found in the native heart - cardiomyocytes (iPSC-CMs), endothelial cells (iPSC-ECs), and cardiac fibroblasts (iPSC-CFs) - were differentiated from iPSCs derived from PBMCs of a psoriasis patient. Obtained cell lines were phenotypically and functionally characterized using IF, FACS, and qPCR techniques. Subsequently, these cells were assembled into cMTs, mimicking the environment of the developing heart muscle. Next, the effect of the cytokine IL-17A and secukinumab - a biologic drug used in psoriasis treatment – on the vascularisation of cMTs was assessed.The generated iPSC-CMs exhibited typical cardiomyocyte morphology, expression of specific markers, and spontaneous contractility, characteristic of developing heart. Similarly, iPSC-ECs displayed the expected endothelial morphology and marker expression. The iPSC-CFs showed an elongated morphology, the presence of specific fibroblast markers, and the ability to undergo fibrotic transformation following TGF-β pathway activation. The formed cMTs showed appropriate organization of cellular structures, the presence of cell-type-specific markers, and the development of vascular networks resembling blood vessels. Stimulation of cMTs with IL-17A resulted in a statistically significant increase in the surface area and volume of vascular structures. This effect was inhibited by the administration of secukinumab, indicating a potential role of the drug in modulating endothelial cell proliferation.The developed cMT model provides a promising platform for investigating the links between chronic inflammation and cardiovascular alterations in the circulatory system mediated by proinflammatory cytokines, as well as for assessing the efficacy of anti-inflammatory therapies aimed at restoring endothelial function.