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Impact of Diabetes and its pharmacological treatment on cardiovascular function...

Author(s): Paiva, Marta Sofia Abreu cv logo 1

Date: 2011

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10316/17212

Origin: Estudo Geral - Universidade de Coimbra

Subject(s): Diabetes --terapia; Diabetes --farmacologia; Doenças cardiovasculares; Metformina -- uso terapêutico


Description
Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide of which ischaemic heart disease plays a main role. A diminished supply of oxygen and nutrients is extremely detrimental for the cardiac tissue, which has a high energetic demand. Following ischaemia-reperfusion injury, cell death will occur to great extent. Dead tissue is replaced by scar tissue, resulting in an impairment of cardiac function and heart failure. Importantly, clinical studies have shown that diabetic patients are more prone to suffer from cardiovascular diseases and to have worse clinical outcomes after an ischaemia-reperfusion injury event. The need for pharmacological agents that target both cardiovascular diseases and diabetes is of extreme relevance. Recently, the UKPDS study suggested that diabetic patients treated with metformin would have better clinical outcomes after suffering a cardiovascular event. Metformin is the most prescribed anti-diabetic drug worldwide and is known to target the mitochondria and 5’AMP-activated kinase (AMPK). AMPK is a kinase that functions as the cellular energy sensor. It is activated upon events that reduce energy reserves, such as exercise and ischaemia and coordinates both metabolism and intracellular signalling events towards an effective use of ATP during energy depletion. Activation of AMPK is beneficial if it occurs during myocardial ischaemia, but is role during reperfusion is still controversial. We hypothesised that metformin could be cardioprotective against myocardial infarction when administered at reperfusion via AMPK activation with concomitant improvement of cardiac metabolism and signalling that would prevent the occurrence of mitochondrial permeability transition (MPT) and cell death. To verify this hypothesis, a Langendorff perfused rat heart model of regional ischaemia with myocardial infarction assessed as our primary endpoint. In addition, adult rat ventricular myocytes were exposed to laser induced oxidative stress and imaged using confocal microscopy to follow mitochondrial depolarization and occurence of MPT and Western blotting performed to verify the activation of protective kinases. To study the influence of diabetes upon ischaemia-reperfusion injury, a colony of Goto-Kakizaki (GK) rat was established and characterized as an animal model of type 2 diabetes. Metformin, when administered at the onset of reperfusion was cardioprotective due to a transient activation AMPK and associated enhanced nitric oxide production, stimulation of adenosine receptors and delayed opening of the MPT pore (MPTP), which prevented cell death. In addition, protection of the diabetic heart was obtained by administration of metformin 24 hours prior to the ischaemic insult, concomitant with AMPK activation prior to the ischaemic insult and with nitric oxide production at reperfusion, an effect similar the protection observed in delayed ischaemic preconditioning. Interestingly, the use of an AMPK inhibitor, compound C, either prior to or during ischaemia abolished the reduction of myocardial infarction in the diabetic heart afforded by ischaemic pre- and postconditioning, suggesting a pivotal role for AMPK for the susceptibility of the myocardium to be protected. These results represented a strong background for the second hypothesis investigated that endogenous AMPK activation during myocardial ischaemia above physiological levels would protect against ischaemia-reperfusion injury. The administration during ischaemia of a newly discovered AMPK activator, A-769662, to diabetic and non-diabetic rat hearts, significantly reduced myocardial infarct size in a concentration-dependent manner. The activation of AMPK associated with ischaemia, was significantly increased in the presence of A-769662 and associated with a reduction of infarction after 120 min of reperfusion. Interestingly, there were no changes in the activation of the Reperfusion Injury Salvage Kinase (RISK) pathway, in the Langendorff rat perfused heart model. Our data suggests that enhancing activation of AMPK during ischaemia may be a novel cardioprotective strategy for the ischaemic-reperfused heart. Moreover, A-769662 significantly delayed MPTP opening in adult ventricular myocytes from non-diabetic and diabetic hearts, when administered prior and during the laser-induced oxidative stress, in the same concentrations shown to reduce myocardial infarction. In summary, we have thus demonstrated that metformin can protect the diabetic heart when given prior or after ischaemia, by the activation of the AMPK-eNOS-NO axis that results in a significant delay of MPTP occurrence and cell death. Hence, more details about metformin’s cardioprotective mechanisms have been revealed as this drug seems to be a valuable cardioprotective agent for the diabetic heart. Furthermore, pharmacological activation of AMPK alone in the diabetic heart could constitute a novel cardioprotective strategy that should be further explored and eventually translated from bench side to the clinical setting. As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte em todo o mundo, das quais a doença cardíaca isquémica assume um papel principal. Um fornecimento reduzido de oxigénio e nutrientes é deveras deletério para o tecido cardíaco, o qual possui um elevado consumo energético. Após isquémia-reperfusão (IR), a morte celular ocorre de forma extensa. O tecido morto é substituído por tecido fibroso, levando à disfunção e insuficiência cardíacas. Estudos clínicos demonstraram que os diabéticos são mais propensos para sofrer de doenças cadiovasculares e apresentam piores prognósticos após um evento isquémico. A procura de agentes farmacológicos para o tratamento de doenças cardiovasculares e diabetes é de extrema relevância. Recentemente, o estudo UKPDS sugeriu que nos diabéticos tratados com metformina os prognósticos após um evento cardiovascular seriam melhorados. A metformina (MET) é um dos fármacos anti-diabéticos mais receitados em todo o mundo e actua sobre a mitocôndria e a 5’-AMP-activated kinase (AMPK). A AMPK é uma cinase que funciona como sensor de energia da célula, sendo activada durante situações que reduzem as reservas energéticas da célula, como o exercício físico e a isquémia (I). Ela coordena eventos metabólicos e de sinalização celular promovendo um uso eficaz de ATP. A sua activação é benéfica durante a I mas o seu papel durante a reperfusão permaneça controverso. A nossa hipotése é de que a MET é cardioprotectora contra o enfarte do miocárdio quando administrada na reperfusão, por activação da AMPK, devido a uma melhoria do metabolismo e sinalização cardíacos, prevenindo a ocorrência da transição da permeabilidade mitocondrial (MPT) e morte celular. Para verificar esta hipótese, um modelo de perfusão de Langendorff de coração de rato com isquémia regional foi utilizado e o tamanho do enfarte do miocárdio quantificado enquanto principal medida de dano cardíaco. Além disso, cardiomiócitos ventriculares de coração adulto de rato foram expostos a stress oxidativo induzido por laser e suas imagens analizadas por microscopia confocal, monitorizando-se a despolarização mitocondrial e ocorrência de MPT, sendo a activação de cinases protectoras avaliada por Western blotting. Para o estudo da influência da diabetes sobre o danos causados pela IR, uma colónia de ratos Goto-Kakizaki foi estabelecida e caracterizada enquanto modelo experimental de diabetes tipo 2. A MET, quando administrada no início da reperfusão é cardioprotectora devido à activação transiente da AMPK e aumento da produção de óxido nitrico (NO), estimulação de receptores de adenosina e prevenção da abertura do poro associado a MPT (MPTP), reduzindo a morte celular no miocárdio. A presença de MET, 24 horas antes do insulto isquémico, foi suficiente para proteger corações diabéticos, protecção essa devida à activação da AMPK antes da I e da produção de NO durante a reperfusão, um efeito similar aos mecanismos cardioprotectores inerentes ao precondicionamento isquémico de segunda janela. Na presença de composto C, um inibidor da AMPK, antes e durante a I, redução do enfarte de miocárdio no coração diabético derivada do pré e pós-condicionamento isquémicos foi anulada, sugerindo um papel-chave da activação da AMPK na susceptibilidade do miocárdio a estratégias cardioprotectoras. Estes resultados fundamentaram a segunda hipótese de que a activação endógenea da AMPK durante a I miocárdica, acima dos níveis fisiológicos constituiria um mecanismo de protecção contra o dano de IR. A administração de A-769662, um activador da AMPK recentemente identificado, durante a I a corações diabéticos e não-diabéticos, levou a uma redução significativa do tamanho do enfarte do miocárdio, numa forma dependente da concentração de activador usada. A activação da AMPK durante a I, na presença de A-769662 aumentou significativamente sendo concordante com a redução de enfarte no miocárdio. A realçar, a presença de A-769662 não teve efeito sobre os componentes da via de sinalização RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase), num modelo de perfusão de Langendorff de coração de rato. Os resultados aqui apresentados sugerem que a estimulação da activação da AMPK durante a I pode constituir uma nova estratégia cardioprotectora para o coração submetido a IR. Para além destes efeitos, o composto A-769662, adicionado antes e durante o stress oxidativo, aumentou significativamente o tempo necessário para a abertura do MPTP, em cardiomiócitos ventriculares de corações não-diabéticos e diabéticos, em concentrações observadas como cardioprotectoras. Em suma, foi demonstrado que a MET pode proteger o coração diabético quando administrada antes ou depois da I, através da via AMPK-eNOS-NO com consequente inibição do MPTP e morte celular. Para além do mais, alguns mecanismos celulares da cardioprotecção associada à MET foram elucidados, confirmando –a como um valioso agente cardioprotector para o coração diabético. Finalmente, a activação farmocológica da AMPK no coração diabético, pode fazer parte de uma nova estratégia cardioprotectora a ser explorada e eventualmente, transportada do laboratório para a clínica. Tese de doutoramento em Biologia, especialidade de Biologia Celular, apresentada ao Departamento de Ciências da Vida da Fac. Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
Document Type Doctoral Thesis
Language English
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