Deterioro de la comunicación célula-célula y de la guía del axón debido a la hipoperfusión pulmonar durante el desarrollo alveolar posnatal

Fondo

La hipoperfusión pulmonar es común en niños con cardiopatías congénitas (CC) o hipertensión pulmonar (HP) y causa displasia pulmonar en adultos. Las revisiones sistemáticas han demostrado que algunos niños con cardiopatía coronaria o HP han mitigado los resultados clínicos con COVID-19. Comprender los efectos de la hipoperfusión pulmonar en el desarrollo alveolar posnatal puede ayudar en el desarrollo de métodos para mejorar la función pulmonar de los niños con cardiopatía coronaria o HP y mejorar su atención durante la pandemia de COVID-19, que se caracteriza por una tormenta de citocinas e inflamación persistente.

Métodos y resultados

Creamos un modelo de hipoperfusión pulmonar neonatal a través de la cirugía de banda de la arteria pulmonar (PAB) en el día postnatal 1 (P1). La displasia alveolar se confirmó mediante examen macroscópico e histológico en P21. El análisis transcriptómico de los tejidos pulmonares en P7 (etapa alveolar 2) y P14 (etapa alveolar 4) reveló que la pista de desarrollo alveolar posnatal había cambiado debido a la hipoperfusión pulmonar. En condiciones de hipoperfusión pulmonar, se perdieron la comunicación célula-célula y la guía del axón, que determinan el número final de alvéolos; en cambio, hubo una actividad hiperactiva del ciclo celular. Los resultados transcriptómicos se confirmaron además mediante el examen de la guía del axón y los marcadores del ciclo celular. Debido a que la guía del axón controla la inflamación y la activación de las células inmunitarias, la pérdida de la guía del axón puede explicar la falta de casos graves de COVID-19 entre los niños con cardiopatía coronaria o HP acompañada de hipoperfusión pulmonar.

Conclusiones

Este estudio sugirió que la promoción de células–la comunicación celular o la suplementación con moléculas guía pueden tratar la displasia alveolar inducida por hipoperfusión pulmonar, y que es menos probable que COVID-19 cause una tormenta de citocinas en niños con cardiopatía coronaria o HP acompañada de hipoperfusión pulmonar.

Gráficamente abstracto

Lo nuevo: se revelan los mecanismos subyacentes por los cuales la hipoperfusión pulmonar causa displasia pulmonar en adultos y afecta el desarrollo alveolar posnatal.

Implicaciones clínicas: la hipoperfusión pulmonar daña la comunicación célula-célula y la guía del axón, lo que sugiere que la promoción de la comunicación célula-célula o la suplementación con moléculas guía pueden tratar la displasia pulmonar inducida por hipoperfusión pulmonar. Es menos probable que COVID-19 provoque una tormenta de citocinas en los pulmones de los niños con CC con hipoperfusión pulmonar debido a la pérdida de la guía del axón.

La hipoperfusión pulmonar es común en niños con cardiopatías congénitas (CC), como tetralogía de Fallot (TOF), estenosis pulmonar grave, atresia pulmonar y cirugía paliativa de CC [1,2,3]. Además, cuando el ventrículo derecho falla por hipertensión pulmonar (HP) crónica, los pacientes desarrollan hipoperfusión pulmonar. [4, 5]. Estudios anteriores demostraron que los niños con hipoperfusión pulmonar tienen riesgo de desarrollar displasia pulmonar en la edad adulta [6,7,8]. Sin embargo, los mecanismos subyacentes por los cuales la hipoperfusión pulmonar causa displasia pulmonar no están claros.

Durante la pandemia de COVID-19 y la era del síndrome prolongado de COVID-19, un número cada vez mayor de niños con cardiopatía coronaria o HP se infectaron con COVID-19 [9]. La COVID-19 daña principalmente los pulmones, y un estudio anterior estableció que la COVID-19 causa una alveolitis limitada espacialmente que se desarrolla lentamente, en la que los macrófagos alveolares que contienen la COVID-19 y las células T forman un ciclo de retroalimentación positiva que impulsa la inflamación alveolar persistente. Esto puede explicar el síndrome prolongado de COVID-19 [10]. Se desconoce en gran medida si la hipoperfusión pulmonar está relacionada con COVID-19 y cómo. Comprender los mecanismos subyacentes puede sugerir estrategias para aliviar el impacto de COVID-19 en niños con cardiopatía coronaria o HP.

En los humanos, más del 90 % de los alvéolos se forman después del nacimiento, especialmente entre los 0 y los 7 años de edad, y el crecimiento alveolar continúa hasta la adolescencia. [11, 12]. Un estudio transcriptómico en roedores reveló que el desarrollo alveolar posnatal ocurre en cuatro etapas: etapa alveolar 1 (ALV1; días posnatales [P] 1–3), ALV2 (P4–7), ALV3 (P9–12) y ALV 4 (P12–18) [13]. Además, la transcriptómica humana y de roedores mostró que las vías asociadas con el ciclo celular y la guía del axón se conservaron entre las etapas de desarrollo alveolar posnatal. [13]. La activación del ciclo celular es necesaria para conseguir un número final adecuado de alvéolos, que viene determinado por la coexpansión de las células endoteliales vasculares y las células alveolares tipo (AT) 2 [14, 15]. La guía del axón actúa en concierto con otros factores críticos de crecimiento y morfogenéticos para esculpir la arquitectura del árbol respiratorio. [16,17,18]. Un estudio reciente informó que las células AT1 funcionan como un centro de señalización distinto en la comunicación célula-célula que impulsa el desarrollo alveolar posnatal [19]. No está claro si la hipoperfusión pulmonar afecta los procesos antes mencionados y cómo lo hace.

Para comprender completamente cómo la hipoperfusión pulmonar altera el desarrollo alveolar posnatal, construimos un modelo de hipoperfusión pulmonar en ratas neonatales utilizando bandas de la arteria pulmonar (PAB) en P1, como se informó en nuestras publicaciones anteriores. [20,21,22], y siguió el modelo en P21. Las muestras de pulmón obtenidas en dos puntos temporales (P7; etapa ALV2) y P14 (etapa ALV4) se seleccionaron para análisis transcriptómicos a fin de comprender los cambios en el desarrollo bajo la influencia de la hipoperfusión pulmonar. Sobre la base de los datos transcriptómicos, se probaron más los marcadores de guía del ciclo celular y del axón.

Animales y cirugía PAB

Las ratas preñadas (Xipu’er-bikai Experimental Animal Co, Ltd., Shanghái, China) se alojaron individualmente con libre acceso a comida y agua, y se mantuvieron en un ciclo día:noche de 12:12 h. Los cachorros recibieron cirugía PAB u operación simulada en P1, como se describió anteriormente [9, 21, 22]. Brevemente, las ratas recién nacidas se anestesiaron usando hipotermia en hielo durante 3 minutos y luego se colocaron en posición supina sobre una cama de hielo para mantener la anestesia. Se realizó una incisión transeccional esternal en el tercer espacio intercostal para exponer la cavidad torácica. Se separó el pericardio y se separaron ambas aurículas para exponer la aorta y la arteria pulmonar principal (AP). Se pasó una sutura de nailon 12-0 a través de la parte inferior de la PA y se ligó con una aguja de relleno de calibre 30. Posteriormente se retiró la aguja de la AP y se creó una estenosis del mismo diámetro que la aguja. Se cerró la cavidad torácica y se suturó la piel por capas. Los cachorros se colocaron en una placa de calentamiento termostático para la recuperación posoperatoria y luego se los volvió a colocar con sus madres después de que recuperaron el conocimiento y pudieron moverse libremente. Los cachorros falsos recibieron la misma operación excepto por el paso de bandas.

Diseño del estudio

Un total de 50 cachorros se dividieron al azar en los grupos simulado y PAB. Los tejidos pulmonares de los grupos simulado y PAB se recolectaron en P7 y P14, denominados Sham_7, PAB_7, Sham_14 y PAB_14, respectivamente. En P7, todas las ratas recibieron ecocardiografía para confirmar la hipoperfusión pulmonar. En P7 y P14, se usaron cinco ratas en cada grupo y en cada punto de tiempo para RNA-seq, análisis inmunohistológico, transferencia Western y qRT-PCR. En P21, se utilizaron cinco ratas de cada grupo para exámenes morfológicos y análisis inmunohistológico.

Ecocardiografía transtorácica

Para evaluar el gradiente de presión y el flujo sanguíneo a través de la AP o del tracto de salida del ventrículo izquierdo, se realizó una ecocardiografía transtorácica por un único ecocardiólogo experimentado. En P7, las ratas se colocaron en una caja con isoflurano al 5 % durante 3 a 5 min para inducir la anestesia y luego se colocaron en una placa de calentamiento con un cono nasal que contenía isoflurano al 2,5 % para mantener la anestesia. Se utilizó un sistema de ecocardiografía Vevo 2100 (Visual Sonics, Toronto, Ontario, Canadá) y un transductor de 25 MHz (transductor MS400 Micro Scan; Visual Sonics) para realizar la ecocardiografía. Los patrones de flujo sanguíneo se obtuvieron mediante Doppler pulsado…