Macrophage cell-autonomous adrenergic alpha 1 signaling mediated extracellular matrix remodeling in cardiac regeneration

Abstract

Ischemic heart disease ranks among the leading causes of death worldwide. Following myocardial infarction, cardiomyocyte loss through necrosis leads to inflammation, fibrosis, and permanent scarring, impairing heart function and leaving it susceptible to failure. Clinical efforts employing progenitor or stem cell-derived cardiomyocyte transplantation or utilizing biomaterials to induce cardiomyocyte proliferation, have proven ineffective in renewing the myocardium due to the human heart’s almost non-existent inherent self-renewal capacity. Unlike most adult mammals, neonatal mice and several non-mammalian vertebrates demonstrate the ability to regenerate cardiac tissue following myocardial infarction. Cardiac regeneration is a complex process, demanding a delicate orchestration of multiple cellular and molecular events. One fundamental aspect of regeneration is the resolution of scarring following injury and its replacement with new cardiomyocytes, partially attributed to fibroblast inactivation. However, a comprehensive understanding of the entire regeneration process is lacking, impeding the development of effective therapeutic strategies. The immune response is a significant event following ischemic injury, with macrophages as primary effectors. These cells are implicated in various processes, from dead cell clearance to tissue remodeling. Their initial pro-inflammatory phenotype is critical for cell influx into the injury area, and their subsequent anti-inflammatory phenotype contributes to the activation of fibroblasts, facilitating collagen deposition for extracellular matrix organization. Consequently, exploring the mechanisms that govern macrophage functional diversification is vital for elucidating the regeneration process. Additionally, the nervous system plays a pivotal role in immune modulation, with sensory neurons capable of relaying the immune state of peripheral locations to the central nervous system to regulate the immune response. Both sympathetic and parasympathetic signaling was shown to be critical for proper regenerative response. Transcriptomic studies in zebrafish have revealed that blocking cholinergic signaling post-cardiac injury impairs the immune response, and sympathetic signaling influences macrophage phenotype. The immunomodulatory capabilities of the nervous system, in conjunction with the multifaceted roles of macrophages, underscore the importance of neuro-immune interactions in cardiac regeneration. This dissertation revealed previously unidentified neural modulation of myocardial regenerative response and delineated the distinct roles of a macrophage subset. Utilizing zebrafish, known for its robust regenerative capacity, genetic tractability, and larval translucency allowing real-time injury event tracing, to model human myocardial infarction, this study identifies adrenergic receptor alpha-1 (Adra1) as a potent modulator of regenerative response and macrophage diversification. Utilizing a macrophage-specific loss-of-function model for Adra1 signaling and single-cell transcriptomics, this study uncovered the activation of an ‘extracellular matrix remodeling’ macrophage population that regulates the extracellular matrix composition and turnover. In vivo and ex vivo validation of the in-silico analyses elucidated the Adra1-activated macrophages’ roles in activating a pro-regenerative collagen XII-expressing fibroblast subset through Mdka-Lrp1aa crosstalk, regulating the cardiac regenerative niche, promoting vessel formation and cardiomyocyte proliferation. In short, this project emphasizes the potential of Adra1-mediated neural input as a key regulator of macrophage function, unveiling a novel mechanism of neuro-immune interactions that modulate fibrosis and myocardial renewal during the regeneration process. The insights into nervous modulation of immune response to regulate cardiac fibrosis and facilitate myocardial self-renewal provide a substantial foundation for development of a much-needed therapeutic strategy for cardiac regenerative medicine.

Ischämische Herzkrankheiten sind weltweit eine der häufigsten Todesursachen. Nach einem Myokardinfarkt führt der Verlust von Kardiomyozyten durch Nekrose zu Entzündung, Fibrose und dauerhafter Narbenbildung, was die Herzfunktion beeinträchtigt und das Herz anfällig für ein Versagen macht. Klinische Versuche, Kardiomyozyten aus Vorläufer- oder Stammzellen zu transplantieren oder Biomaterialien zu verwenden, um die Proliferation von Kardiomyozyten zu induzieren, haben sich als unwirksam erwiesen, da das menschliche Herz kaum über eine eigene Selbsterneuerungskapazität verfügt. Im Gegensatz zu den meisten erwachsenen Säugetieren zeigen neonatale Mäuse und einige Nicht-Säugetiere die Fähigkeit, Herzgewebe nach einem Herzinfarkt zu regenerieren. Die Regeneration des Herzens ist ein komplexer Prozess, der ein fein abgestimmtes Zusammenspiel zahlreicher zellulärer und molekularer Ereignisse erfordert. Ein grundlegender Aspekt der Regeneration ist die Auflösung der Narbenbildung nach einer Verletzung und deren Ersatz durch neue Kardiomyozyten, was teilweise auf die Inaktivierung von Fibroblasten zurückzuführen ist. Es fehlt jedoch ein umfassendes Verständnis des gesamten Regenerationsprozesses, was die Entwicklung wirksamer therapeutischer Strategien behindert. Die Immunantwort ist ein wichtiges Ereignis nach einer ischämischen Verletzung, wobei Makrophagen als primäre Effektoren fungieren. Diese Zellen sind an verschiedenen Prozessen beteiligt, die von der Beseitigung abgestorbener Zellen bis zum Gewebeumbau reichen. Ihr anfänglicher proinflammatorischer Phänotyp ist entscheidend für den Einstrom von Zellen in den verletzten Bereich, und ihr späterer antiinflammatorischer Phänotyp trägt zur Aktivierung von Fibroblasten bei, die die Ablagerung von Kollagen für die Organisation der extrazellulären Matrix erleichtern. Die Erforschung der Mechanismen, die die funktionelle Diversifizierung der Makrophagen steuern, ist daher für das Verständnis des Regenerationsprozesses von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus spielt das Nervensystem eine entscheidende Rolle bei der Immunmodulation. Sensorische Neuronen sind in der Lage, den Immunstatus peripherer Orte an das zentrale Nervensystem weiterzuleiten, um die Immunantwort zu regulieren. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die sympathische als auch die parasympathische Signalübertragung für eine adäquate Regenerationsantwort entscheidend sind. Transkriptomische Studien am Zebrafisch haben gezeigt, dass die Blockade der cholinergen Signalübertragung die Immunantwort nach einer Herzverletzung beeinträchtigt, während die sympathische Signalübertragung den Phänotyp von Makrophagen beeinflusst. Die immunmodulatorischen Fähigkeiten des Nervensystems in Verbindung mit den vielfältigen Funktionen der Makrophagen unterstreichen die Bedeutung der Neuro-Immun-Interaktionen für die Herzregeneration. In dieser Dissertation wurde eine bisher unbekannte neuronale Modulation der myokardialen Regenerationsantwort aufgedeckt und die differenzielle Rolle einer Makrophagen-Subgruppe beschrieben. Unter Verwendung des Zebrafisches, der für seine robuste Regenerationsfähigkeit, seine genetische Rückverfolgbarkeit und seine larvale Transparenz bekannt ist, die es erlaubt, Verletzungen in Echtzeit zu verfolgen, wurde in dieser Studie der adrenerge Rezeptor alpha-1 (Adra1) als potenter Modulator der Regenerationsantwort und der Makrophagen-Diversifizierung identifiziert, um einen menschlichen Myokardinfarkt zu modellieren. Mit Hilfe eines Makrophagen-spezifischen Funktionsverlustmodells der Adra1-Signaltransduktion und der Einzelzell-Transkriptomik konnte die Aktivierung einer Makrophagenpopulation für den Umbau der extrazellulären Matrix nachgewiesen werden, die die Zusammensetzung und den Umsatz der extrazellulären Matrix reguliert. Die in vivo- und ex vivo-Validierung der in silico-Analysen zeigte, dass Adra1-aktivierte Makrophagen über den Mdka-Lrp1aa-Crosstalk eine pro-regenerative, Kollagen XII-exprimierende Fibroblasten-Subpopulation aktivieren, die die kardiale Regenerationsnische reguliert und die Vaskularisierung und Proliferation von Kardiomyozyten fördert. Zusammenfassend unterstreicht dieses Projekt das Potenzial des Adra1-vermittelten neuronalen Inputs als Schlüsselregulator der Makrophagenfunktion und deckt einen neuartigen Mechanismus der Neuro-Immun-Interaktionen auf, der die Fibrose und die Erneuerung des Herzmuskels während des Regenerationsprozesses moduliert. Die Erkenntnisse über die nervale Modulation der Immunantwort zur Regulation der kardialen Fibrose und zur Erleichterung der myokardialen Selbsterneuerung bilden eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung einer dringend benötigten therapeutischen Strategie für die kardiale Regenerationsmedizin.