Levosimendan: Studies on its mechanisms of action and beyond

Acute heart failure syndrome represents a prominent and growing health problem all around the world. Ideally, medical treatment for patients admitted to hospital because of this syndrome, in addition to alleviating the acute symptoms, should also prevent myocardial damage, modulate neurohumoral and inflammatory activation, and preserve or even improve renal function. Levosimendan is a cardiac enhancer having both inotropic and vasodilatory effects. It is approved for the short-term treatment of acutely decompensated chronic heart failure, but it has been shown to have beneficial clinical effects also in ischemic heart disease and septic shock as well as in perioperative cardiac support. In the present study, the mechanisms of action of levosimendan were studied in isolated guinea-pig heart preparations: Langendorff-perfused heart, papillary muscle and permeabilized cardiomyocytes as well as in purified phosphodiesterase isoenzyme preparations. Levosimendan was shown to be a potent inotropic agent in isolated Langendorff-perfused heart and right ventricle papillary muscle. In permeabilized cardiomyocytes, it was demonstrated to be a potent calcium sensitizer in contrast to its enantiomer, dextrosimendan. It was additionally shown to be a very selective phosphodiesterase (PDE) type-3 inhibitor, the selectivity factor for PDE3 over PDE4 being 10000 for levosimendan. Irrespective of this very selective PDE3 inhibitory property in purified enzyme preparations, the inotropic effect of levosimendan was demonstrated to be mediated mainly through calcium sensitization in the isolated heart as well as the papillary muscle preparations at clinically relevant concentrations. In the isolated Lagendorff-perfused heart, glibenclamide antagonized the levosimendan-induced increase in coronary flow (CF). Therefore, the main vasodilatory mechanism in coronary veins is believed to be the opening of the ATP-sensitive potassium (KATP) channels. In the paced hearts, CF did not increase in parallel with oxygen consumption (MVO2), thus indicating that levosimendan had a direct vasodilatory effect on coronary veins. The pharmacology of levosimendan was clearly different from that of milrinone, which induced an increase in CF in parallel with MVO2. In conclusion, levosimendan was demonstrated to increase cardiac contractility by binding to cardiac troponin C and sensitizing the myofilament contractile proteins to calcium, and further to induce coronary vasodilatation by opening KATP channels in vascular smooth muscle. In addition, the efficiency of the cardiac contraction was shown to be more advantageous when the heart was perfused with levosimendan in comparison to milrinone perfusion.

Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure

Suun kautta annosteltava kalsiumherkistäjä parantaa sydämen vajaatoimintaan liittyvää pumppausvajetta kokeellisissa sydämen vajaatoimintamalleissa Huolimatta viime vuosikymmenien lääketieteellisestä kehityksestä krooninen sydämen vajaatoiminta on silti edelleen vakava, elämänlaatua voimakkaasti rajoittava sairaus. Kalsiumherkistäjät ovat uusi, sydämen pumppausvoimaa lisäävä lääkeryhmä. Levosimendaani, kotimaista alkuperää oleva kalsiumherkistäjä, on kliinisessä käytössä akuutin vajaatoiminnan hoitoon suonensisäisesti ja lyhytaikaisesti annosteltavana valmisteena. Levosimendaanilla on aktiivinen metaboliitti, OR-1896, jonka oletetaan olevan vuorokauden mittaisen levosimendaani-infuusion jälkeen havaittujen useita päiviä kestävien hyödyllisisten vaikutuksisten takana. Levosimendaanin kroonisen, suun kautta tapahtuvan annostelun vaikutuksista tieto on vähäisempää, mutta sillä näyttää olevan positiivisia vaikutuksia potilaiden raportoimana. FM Marjut Louhelainen on selvittänyt väitöskirjassaan suun kautta annosteltavan levosimendaanin ja sen pitkäkestoisen aktiivisen metaboliitin vaikutuksia kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käyttämällä sekä hypertensiivisen sydäntaudin että 2 tyypin diabeteksen komplisoimaan sydäninfarktin kokeellisia malleja. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi vajaatoimintaan johtavia molekyylitason tapahtumia sydänlihaksessa. Tutkimuksessa osoitettiin, että krooninen suun kautta annosteltu hoito sekä kalsiumherkistäjä levosimendaanilla että sen aktiivisella metaboliitilla estää hypertensiiviseen sydämen vajaatoiminnan aikaasaamaa sydämen uudelleenmuovaantumista ja siihen liittyvää kuolleisuutta. Nämä vaikutukset välittyivät vähentyneen sydänlihassoluhypertrofian, solukuolleisuuden ja neurohumaraalisen aktivaation kautta. Levosimendaanin ja OR-1896:n osoitettiin myös parantavan sydämen pumppausfunktiota tyyppi 2 diabeteksen komplisoimassa sydäninfarktissa. Ei-diabeettiseen tilanteeseen verrattuna diabetekseen liittyvä infarktin jälkeinen vajaatoiminnan kehitys oli yhteydessä lisääntyneeseen tulehdukseen, fibroosiin, solukuolemaan, neurohumoraaliseen aktivaatioon ja ennenaikaiseen kudoksen vanhenemiseen. Sekä levosimendaani, että OR-1869 vähensivät tulehduksen, fibroosin ja solukuoleman merkkejä ja vaimensi neurohumoraalista aktivaatiota. OR-1896 myös vähensi solujen vanhenemiseen liittyvien merkkiaineiden ilmentymistä. Väitöskirjassa todettiin, että suun kautta annosteltuna sekä levosimendaani, että sen aktiivinen metaboliitti OR-1896, omaavat terapeuttista potentiaalia sekä hypertensiivisen sydäntaudin hoitoon että sydäninfarktin jälkeisen vajaatoiminnan estoon. FM Marjut Louhelaisen farmakologian alaan kuuluva väitöskirja Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure tarkastetaan Helsingin yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 29.01.2010 klo 12 (Biomedicum Helsinki, luentosali 2, Haartmaninkatu 8, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori Raimo Tuominen, Helsingin yliopiston Farmasian tiedekunnasta ja kustoksena professori Eero Mervaala Helsingin yliopiston Lääketieteellisestä tiedekunnasta.

F-18 Labelling Synthesis, Radioanalysis and Evaluation of A Dopamine Transporter and A Hypoxia Tracer

Positron emission tomography (PET) is an imaging technique in which radioactive positron-emitting tracers are used to study biochemical and physiological functions in humans and in animal experiments. The use of PET imaging has increased rapidly in recent years, as have special requirements in the fields of neurology and oncology for the development of syntheses for new, more specific and selective radiotracers. Synthesis development and automation are necessary when high amounts of radioactivity are needed for multiple PET studies. In addition, preclinical studies using experimental animal models are necessary for evaluating the suitability of new PET tracers for humans. For purification and analysing the labelled end-product, an effective radioanalytical method combined with an optimal radioactivity detection technique is of great importance. In this study, a fluorine-18 labelling synthesis method for two tracers was developed and optimized, and the usefulness of these tracers for possible prospective human studies was evaluated. N-(3-[18F]fluoropropyl)-2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)nortropane ([18F]β-CFT-FP) is a candidate PET tracer for the dopamine transporter (DAT), and 1H-1-(3-[18F]fluoro-2-hydroxypropyl)-2-nitroimidazole ([18F]FMISO) is a well-known hypoxia marker for hypoxic but viable cells in tumours. The methodological aim of this thesis was to evaluate the status of thin-layer chromatography (TLC) combined with proper radioactivity detection measurement systems as a radioanalytical method. Three different detection methods of radioactivity were compared: radioactivity scanning, film autoradiography, and digital photostimulated luminescence (PSL) autoradiography. The fluorine-18 labelling synthesis for [18F]β-CFT-FP was developed and carbon-11 labelled [11C]β-CFT-FP was used to study the specificity of β-CFT-FP for the DAT sites in human post-mortem brain slices. These in vitro studies showed that β-CFT-FP binds to the caudate-putamen, an area rich of DAT. The synthesis of fluorine-18 labelled [18F]FMISO was optimized, and the tracer was prepared using an automated system with good and reproducible yields. In preclinical studies, the action of the radiation sensitizer estramustine phosphate on the radiation treatment and uptake of [18F]FMISO was evaluated, with results of great importance for later human studies. The methodological part of this thesis showed that radioTLC is the method of choice when combined with an appropriate radioactivity detection technique. Digital PSL autoradiography proved to be the most appropriate when compared to the radioactivity scanning and film autoradiography methods. The very high sensitivity, good resolution, and wide dynamic range of digital PSL autoradiography are its advantages in detection of β-emitting radiolabelled substances.

Molecular mechanisms of hypertension-induced heart failure : Experimental studies with special emphasis on local renin-angiotensin system, cardiac metabolism and levosimendan

Hypertension is a major risk factor for stroke, ischaemic heart disease, and the development of heart failure. Hypertension-induced heart failure is usually preceded by the development of left ventricular hypertrophy (LVH), which represents an adaptive and compensatory response to the increased cardiac workload. Biomechanical stress and neurohumoral activation are the most important triggers of pathologic hypertrophy and the transition of cardiac hypertrophy to heart failure. Non-clinical and clinical studies have also revealed derangements of energy metabolism in hypertensive heart failure. The goal of this study was to investigate in experimental models the molecular mechanisms and signalling pathways involved in hypertension-induced heart failure with special emphasis on local renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS), cardiac metabolism, and calcium sensitizers, a novel class of inotropic agents used currently in the treatment of acute decompensated heart failure. Two different animal models of hypertensive heart failure were used in the present study, i.e. hypertensive and salt-sensitive Dahl/Rapp rats on a high salt diet (a salt-sensitive model of hypertensive heart failure) and double transgenic rats (dTGR) harboring human renin and human angiotensinogen genes (a transgenic model of hypertensive heart failure with increased local RAAS activity). The influence of angiotensin II (Ang II) on cardiac substrate utilization and cardiac metabolomic profile was investigated by using gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry to detect 247 intermediary metabolites. It was found that Ang II could alter cardiac metabolomics both in normotensive and hypertensive rats in an Ang II receptor type 1 (AT1)-dependent manner. A distinct substrate use from fatty acid oxidation towards glycolysis was found in dTGR. Altered cardiac substrate utilization in dTGR was associated with mitochondrial dysfunction. Cardiac expression of the redox-sensitive metabolic sensor sirtuin1 (SIRT1) was increased in dTGR. Resveratrol supplementation prevented cardiovascular mortality and ameliorated Ang II-induced cardiac remodeling in dTGR via blood pressure-dependent pathways and mechanisms linked to increased mitochondrial biogenesis. Resveratrol dose-dependently increased SIRT1 activity in vitro. Oral levosimendan treatment was also found to improve survival and systolic function in dTGR via blood pressure-independent mechanisms, and ameliorate Ang II-induced coronary and cardiomyocyte damage. Finally, using Dahl/Rapp rats it was demonstrated that oral levosimendan as well as the AT1 receptor antagonist valsartan improved survival and prevented cardiac remodeling. The beneficial effects of levosimendan were associated with improved diastolic function without significantly improved systolic changes. These positive effects were potentiated when the drug combination was administered. In conclusion, the present study points to an important role for local RAAS in the pathophysiology of hypertension-induced heart failure as well as its involvement as a regulator of cardiac substrate utilization and mitochondrial function. Our findings suggest a therapeutic role for natural polyphenol resveratrol and calcium sensitizer, levosimendan, and the novel drug combination of valsartan and levosimendan, in prevention of hypertension-induced heart failure. The present study also provides a better understanding of the pathophysiology of hypertension-induced heart failure, and may help identify potential targets for novel therapeutic interventions.

Sydämen hypertrofian ja kroonisen vajaatoiminnan farmakologinen hoito

Sydämen krooninen vajaatoiminta on merkittävä maailmanlaajuinen ongelma. Se on erilaisten sydän- ja verisuonisairauksien aiheuttama monimuotoinen oireyhtymä. Sydämen vasemman kammion hypertrofia eli sydämen seinämien paksuuntuminen on yksi keskeinen tekijä, joka voi olla sydämen vajaatoiminnan taustalla. Kohonnut verenpaine on yleisin syy, joka johtaa sydänlihaksen paksuuntumiseen. Tämä johtaa sydämen pumppaustoiminnan häiriintymiseen, erilaisten neurohormonaalisten mekanismien aktivaatioon ja edelleen sydämen vajaatoimintaan. Sydämen vajaatoiminnan neurohormonaalisista mekanismeista tärkeimmät ovat reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmän ja sympaattisen hermoston aktivaatio, sydämen rakenteiden uudelleenmuovautuminen, sydänlihassolujen apoptoosi ja systeeminen tulehdustila. Sydämen hypertrofiaa ja sen syntymistä pyritään estämään kohonneen verenpaineen lääkehoidolla. Reniini-angiotensiini-aldosteronijärjestelmällä on keskeinen merkitys sydämen vajaatoiminnassa. Sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavista lääkeaineista angiotensiinikonvertasin estäjät (ACEestäjät) ovat säilyttäneet johtoasemansa jo vuosikymmenten ajan. Angiotensiinireseptoreiden salpaajien (AT1-salpaajien) odotettiin syrjäyttävän ACE-estäjät sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta toistaiseksi niitä pidetään vain vaihtoehtoisina lääkkeinä. Sympaattisen hermoston aktivaatiota vähentävät β-salpaajat ovat vakiinnuttaneet asemansa toiseksi tärkeimpänä lääkeryhmänä. Diureetit ovat paljon käytetty lääkeaineryhmä sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta niistä ainoastaan aldosteroniantagonisteilla on tutkitusti ennustetta parantavaa vaikutusta. Kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käytetään edelleen myös digoksiinia. Tulevaisuudessa sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavia lääkeaineita voivat olla reniinin estäjät, neutraaliendopeptidaasin estäjät, vasopressiinin antagonistit tai inflammatroisiin sytokiineihin vaikuttavat molekyylit. Erikoistyön kokeellisessa osiossa tarkoituksena oli tutkia sydämen hypertrofian kehittymistä vatsa-aortta kuristetuilla rotilla ja kalsiumherkistäjä levosimendaanin sekä AT1-salpaaja valsartaanin vaikutuksia hypertrofian kehittymiseen. Kokeellisessa osiossa arvioitiin myös sydämen hypertrofian ja vajaatoiminnan jyrsijämallina käytetyn vatsa-aortan kuristuksen (koarktaation) toimivuutta ja vaikutuksia ultraäänen avulla määritettyihin kardiovaskulaarisiin parametreihin. Vatsa-aortta kuristettiin munuaisvaltimoiden yläpuolelta. Kuristus saa aikaan verenpaineen kohoamisen ja sydämen työtaakan lisääntymisen. Pitkittyessään tila johtaa sydänlihaksen hypertrofiaan ja vajaatoimintaan. 64 eläintä jaettiin ryhmiin, siten että jokaiseen ryhmään tuli kahdeksan eläintä. Ryhmistä kolmelle annettiin lääkeaineena levosimendaania kolmella eri päiväannoksella (0,01 mg/kg; 0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg) ja kolmelle valsartaania kolmella eri päiväannoksella (0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg; 10,00 mg/kg) juomaveden mukana. Lääkitys aloitettiin leikkauksen jälkeen ja jatkettiin kahdeksan viikon ajan. Kardiovaskulaariset parametrit, kuten isovolumetrinen relaksaatioaika (IVRT), vasemman kammion läpimitta systolessa ja diastolessa sekä seinämäpaksuudet, ejektiofraktio (EF), supistuvuusosuus (FS), minuuttitilavuus (CO) ja iskutilavuus (SV) määritettiin kahdeksan viikon kuluttua leikkauksesta ultraäänitutkimuksen avulla. Lisäksi määritettiin eläinten sydämen paino suhteessa ruumiin painoon. Tuloksia verrattiin ilman lääkehoitoa olleeseen koarktaatioryhmään. Eläinmallin toimivuutta arvioitiin vertaamalla koarktaatioryhmän tuloksia sham-operoidun ryhmän tuloksiin. Levosimendaanilla havaittiin työssä sydämen systolista toimintaa parantava vaikutus. Tämä näkyi tendenssinä parantaa ejektiofraktioita ja vasemman kammion supistuvuusosuuksia. Sydämen diastoliseen toimintaan ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Diastolista toimintaa arvioitiin isovolumetrisen relaksaatioajan muutoksilla. Sydämen hypertrofian kehittymiseen ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Eläinmallin todettiin mallintavan hyvin sydämen hypetrofiaa ihmisellä, mutta ei niinkään sydämen vajaatoimintaa.