The role of catechol-O-methyltransferase (COMT) and the effects of COMT inhibition in brain and in cardiovascular and renal pathophysiology

Catechol-O-methyltransferase (COMT) metabolizes catecholamines such as dopamine (DA), noradrenaline (NA) and adrenaline, which are vital neurotransmitters and hormones that play important roles in the regulation of physiological processes. COMT enzyme has a functional Val158Met polymorphism in humans, which affects the subjects COMT activity. Increasing evidence suggests that this functional polymorphism may play a role in the etiology of various diseases from schizophrenia to cancers. The aim of this project was to provide novel biochemical information on the physiological and especially pathophysiological roles of COMT enzyme as well as the effects of COMT inhibition in the brain and in the cardiovascular and renal system. To assess the roles of COMT and COMT inhibition in pathophysiology, we used four different study designs. The possible beneficial effects of COMT inhibition were studied in double-transgenic rats (dTGRs) harbouring human angiotensinogen and renin genes. Due to angiotensin II (Ang II) overexpression, these animals exhibit severe hypetension, cardiovascular and renal end-organ damage and mortality of approximately 25-40% at the age of 7-weeks. The dTGRs and their Sprague-Dawley controls tissue samples were assessed with light microscopy, immunohistochemistry, reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) and high-pressure liquid chromatography (HPLC) to evaluate the tissue damages and the possible protective effects pharmacological intervention with COMT inhibitors. In a second study, the consequence of genetic and pharmacological COMT blockade in blood pressure regulation during normal and high-sodium was elucidated using COMT-deficient mice. The blood pressure and the heart rate were measured using direct radiotelemetric blood pressure surveillance. In a third study, the effects of acute and subchronic COMT inhibition during combined levodopa (L-DOPA) + dopa decarboxylase inhibitor treatment in homocysteine formation was evaluated. Finally, we assessed the COMT enzyme expression, activity and cellular localization in the CNS during inflammation-induced neurodegeneration using Western blotting, HPLC and various enzymatic assays. The effects of pharmacological COMT inhibition on neurodegeneration were also studied. The COMT inhibitor entacapone protected against the Ang II-induced perivascular inflammation, renal damage and cardiovascular mortality in dTGRs. COMT inhibitors reduced the albuminuria by 85% and prevented the cardiovascular mortality completely. Entacapone treatment was shown to ameliorate oxidative stress and inflammation. Furthermore, we established that the genetic and pharmacological COMT enzyme blockade protects against the blood pressure-elevating effects of high sodium intake in mice. These effects were mediated via enhanced renal dopaminergic tone and suggest an important role of COMT enzyme, especially in salt-sensitive hypertension. Entacapone also ameliorated the L-DOPA-induced hyperhomocysteinemia in rats. This is important, since decreased homocysteine levels may decrease the risk of cardiovascular diseases in Parkinson´s disease (PD) patients using L-DOPA. The Lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation and subsequent delayed dopaminergic neurodegeneration were accompanied by up-regulation of COMT expression and activity in microglial cells as well as in perivascular cells. Interestingly, similar perivascular up-regulation of COMT expression in inflamed renal tissue was previously noted in dTGRs. These results suggest that inflammation reactions may up-regulate COMT expression. Furthermore, this increased glial and perivascular COMT activity in the central nervous system (CNS) may decrease the bioavailability of L-DOPA and be related to the motor fluctuation noted during L-DOPA therapy in PD patients.

Katekoli-O-metyylitransferaasi (COMT) metaboloi elimistön katekoliamiineja kuten dopamiinia, noradrenaliinia ja adrenaliinia, joilla on elimistössä elintärkeitä tehtäviä hermovälittäjäaineina ja hormoneina. Ihmisillä esiintyy funktionaalista polymorfismia COMT entsyymissä, joka vaikuttaa yksilön COMT entsyymi aktiivisuuteen. Viime vuosina on julkaistu lisääntyvässä määrin tutkimuksia, joissa COMT entsyymin polymorfismilla on osoitettu olevan yhteys erilaisiin sairauksiin skitsofreniasta syöpiin. Tämän tutkimusprojektin tarkoitus oli selvittää biokemiallisella tasolla COMT entsyymin fysiologista ja erityisesti patofysiologista merkitystä sekä COMT entyymin farmakologisen eston vaikutuksia kokeellisissa elinmalleissa, koe-eläinten aivoissa, sydän- ja verenkiertoelimistössä sekä munuaisissa. COMT entsyymin merkityksen ja COMT eston patofysiologisia vaikutuksia tutkittiin nejässä eri koeasetelmassa. Ensimmäiseksi tutkimme suojaavatko COMT estäjät kaksoistransgeenisiä rottia (dTGR) angiotensiini II:n haitallisilta vaikutuksilta. Näille rotille on siirretty ihmisen reniini ja angiotensinogeeni geenit. Tämän seurauksena eläinten solut tuottavat ylimäärin angiotensiini II:sta, joka saa aikaan vaikea-asteisen verenpainetaudin, sydämen ja munuaisten kohdenelinvauriot sekä 25-40% kuolleisuuden 7 viikon iässä. Hypoteesime oli, että COMT eston suojavaikutukset munuaisiin välittyvät joko lisääntyneen munuaissolujen dopamiini-pitoisuuden tai COMT estäjien anti-oksidanttisten/anti-inflammatoristen vaikutusten kautta. Toisessa tutkimuksessa selvitimme COMT entsyymin merkitystä ja COMT eston vaikutuksia korkea suolaisen ravinnon aikaan saamassa verenpaineen nousussa hiirillä. Käytimme tutkimuksessa sekä hiiriä, joilta COMT geeni on poistettu että farmakologista COMT entsyymin estoa. Verenpainetta mitattiin kuukauden ajan leikkauksessa hiiren kaulavaltimoon asennetun radio-telemetria anturin avulla, joka sallii ympärivuorokautisen verenpaineen seurannan vapaasti liikkuilta hiiriltä. Kolmannessa tutkimuksessa selvitimme COMT eston akuutteja ja pidempi aikaisia vaikutuksia plasman homokysteiinipitoisuuksiin Parkinsonin taudissa yleisesti käytetyn levodopa + dopa dekarboksylaasi estäjä kombinaatiolääkityksen aikana rotilla. Viimeiseksi selvitimme COMT entsyymin ekspressiota, aktiivisuutta sekä lokalisaatiota aivoissa tulehdusreaktion aikaan saaman hermosoluvaurion aikana. Myös COMT entsyymin farmakologisen eston vaikutukset vaurion kehittymiseen selvitettiin. COMT estäjän, entakaponin, osoitettiin suojaavan angiotensiini II ylituotannon munuisvaikutuksilta verenpaineesta riippumattomalla tavalla. COMT estäjät vähensivät munuaisten albumiinin eritystä 85% ja estivät eläinten kuolleisuuden täysin. Entakaponin osoitettiin vähentävät oksidatiivista stressiä sekä tulehduksen merkkejä munuaiskudoksessa. Osoitimme lisäksi sekä geneettisen COMT entsyymin puutoksen että farmakologisen COMT entsyymin eston suojaavan korkea suolaisen ravinnon verenpainetta kohottavilta vaikutuksilta hiirillä. Nämä vaikutukset vaikuttivat välittyvän munuaisten lisääntyneen dopamiini pitoisuuden kautta. Tämä löydös on myös merkittävä osoitus dopamiinin ja COMT entsyymin merkityksestä munuaisten suolatasapainon säätelyssä. Kolmannessa työssä entakaponin osoitettiin vähentävän haitallisen homokysteiinin muodostumista levodopa + dopa dekarboksylaasi estäjä kombinaatiolääkityksen aikana. Tämä löydös ja myöhemmät kliiniset tutkimukset tukevat COMT estäjien käyttöä myös Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla homokysteiinin aiheuttamien kardiovaskulaarihaittojen vähentämiseksi. Lipopolysakkaridin aikaan saama tulehdusreaktio ja sen seurauksena kehittynyt dopamiinia välittäjäaineena käyttävien hermosolujen tuhoutuminen johtivat COMT entsyymin ekspression ja aktiivisuuden kasvuun aivoissa. Tämä COMT entsyymin aktiivisuuden lisääntyminen paikantui aivojen mikroglia soluihin ja verisuonten ympärillä oleviin soluihin. Erityisen mielenkiintoiseksi löydöksen tekee se, että myös dTGR rottien munuaisissa todettiin noin 500% nousu COMT entsyymin ekspressiossa tulehduksen aikana. Myös tämä ekspression kasvu lokalisoitui verisuonten ympärille. Nämä tulokset yhdessä viittaavat siihen, että COMT entsyymin ekspressio ja aktiivisuus saattavat kasvaa tulehdusreaktion aikana tulehdus- ja perivaskulaarisoluissa. Tällä löydöksellä saattaa olla merkitystä sekä tiettyjen psykiatristen sairauksien kannalta että Parkinsonin taudin lääkehoitona käytettävän levodopan biologisen hyötyosuuden kannalta.