Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Le récepteur CD36 : implication dans le développement de l'athérosclérose et dans le recrutement des leucocytes aux sites inflammatoires

Le CD36 est un récepteur éboueur de classe B exprimé par plusieurs types cellulaires dont les macrophages et les cellules endothéliales de la microvasculature. Le CD36 présente une haute affinité de liaison pour les ligands lipidiques tels que les lipoprotéines oxydées de basse densité (LDLox). De part sa capacité à internaliser les LDLox au niveau des macrophages et de son implication dans la formation des cellules spumeuses, le CD36 joue un rôle critique dans le développement des lésions athérosclérotiques. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique sélectif du CD36, exerce des effets anti-athérosclérotiques chez les souris déficientes en apolipoprotéine E. Un traitement prolongé (12 semaines) avec le EP 80317 réduit fortement (de 51%) la surface des lésions athérosclérotiques par comparaison aux souris témoins. L'effet anti-athérosclérotique est associé à une diminution des taux de cholestérol plasmatique, à une réduction de l’internalisation des LDLox au niveau des macrophages et à une augmentation de l’expression des protéines impliquées dans le transport inverse du cholestérol. De plus, un traitement par le EP 80317 est également associé une diminution de l’expression aortique et plasmatique de protéines pro-inflammatoires. Nos études ont aussi montré un rôle pour le CD36 dans le recrutement des phagocytes mononucléés au niveau des lésions athérosclérotiques, tel que démontré par une réduction de l’accumulation des phagocytes mononucléés radiomarqués CD36–/– par rapport aux cellules CD36+/+. À l’échelle moléculaire, nous avons montré que les phospholipides oxydés induisent la phosphorylation de la kinase Pyk2 des podosomes des monocytes/macrophages de manière dépendante de l’expression du CD36 et de Src. Cette phosphorylation est atténuée par un traitement par le EP80317. Nos résultats appuient le rôle important du CD36 dans l’athérosclérose et suggèrent que les ligands synthétiques qui modulent la fonction du CD36 représentent potentiellement une nouvelle classe d'agents anti-athérosclérotiques. Le CD36 exprimé par les cellules endothéliales de la microvasculature est un récepteur de l’hétérodimère protéique S100A8/A9. Ces protéines s’associent à l’acide arachidonique intracellulaire (AA) des neutrophiles polymorphonucléaires (PMN) et le complexe S100A8/A9/AA peut être sécrété par les PMN activés au contact de l’endothélium. Nous avons vérifié l’hypothèse selon laquelle le CD36 exprimé par la microvasculature est impliqué dans le métabolisme transcellulaire de l’AA par la liaison du complexe S100A8/A9/AA et la réponse inflammatoire. Chez deux modèles murins d'inflammation aiguë (ischémie/reperfusion des membres inférieurs et poche d’air dorsale), nous avons observé que la réponse inflammatoire, notamment l’accumulation des PMN au niveau des sites inflammatoires, est diminuée en moyenne de 63% chez les souris CD36-/-. De même, un traitement par le EP 80317 ou par les anticorps anti-S100A8/A9 diminue chacun de 60% en moyenne l’extravasation des PMN vers les tissus inflammatoires. L’administration simultanée des deux traitements n’a aucun effet supplémentaire, et ces traitements n’exercent aucun effet chez les souris CD36-/-. Nos résultats appuient le rôle du récepteur CD36 de la microvasculature dans la régulation de la réponse inflammatoire. L’utilisation des ligands synthétiques du CD36 pourrait représenter une nouvelle avenue thérapeutique dans le traitement des réponses inflammatoires aiguës.

Rôle du tissu adipeux dans l’effet cardioprotecteur du EP 80317, un ligand sélectif du récepteur CD36

Le récepteur CD36 est impliqué dans le transport des acides gras libres non estérifiés (AGNE) au niveau des tissus cardiaque et périphériques. Les dommages tissulaires et la dysfonction cardiaque observés après une ischémie-reperfusion (I/R) du myocarde sont en partie liés à l’internalisation et au métabolisme oxydatif accrus des AGNE dont la concentration sanguine augmente transitoirement après un infarctus du myocarde, contrairement à ce qui est observé chez des souris déficientes en CD36. Nous avons émis l’hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique du récepteur CD36, exercerait un effet cardioprotecteur contre les dommages induits par une ischémie transitoire du myocarde. Nos objectifs étaient 1) de vérifier l’effet cardioprotecteur du EP 80317 et 2) de définir son mécanisme, plus précisément de documenter l’effet du traitement sur le métabolisme lipidique. À cette fin, des souris de type sauvage ont été traitées par le EP 80317 (289 nmol/kg) par voie sous-cutanée pendant 14 jours avant d’être soumises à 30 minutes d’ischémie suivant la ligature de l’artère coronaire gauche descendante et de sa reperfusion pendant une période de 6 ou 48 heures. Le cœur et les tissus périphériques (foie, muscle squelettique et dépôts adipeux) ont été prélevés pour déterminer le profil de certains gènes impliqués dans la régulation du métabolisme lipidique. Nos travaux ont montré que l’effet cardioprotecteur d’un traitement préventif par le EP 80317 est associé à une augmentation transitoire du stockage des triglycérides et d’une réduction des AGNE circulants.

Conditionnement de l’endothélium de l’artère pulmonaire par thérapie d’inhalation avant la circulation extracorporelle

La circulation extracorporelle (CEC) déclenche une réaction inflammatoire systémique, un dommage d’ischémie-reperfusion (I-R) et une dysfonction de l’endothélium dans la circulation pulmonaire. L’hypertension pulmonaire (HTP) est la conséquence de cette cascade de réactions. Cette HTP augmente le travail du ventricule droit et peut causer sa dysfonction, un sevrage difficile de la CEC et une augmentation des besoins de vasopresseurs après la chirurgie cardiaque. L’administration de milrinone et d’époprosténol inhalés a démontré une réduction de la dysfonction endothéliale dans l’artère pulmonaire. Le but de ce travail est d’évaluer différents types de nébulisateur pour l’administration de la milrinone et d’évaluer l’effet du traitement préventif de la combinaison de milrinone et époprosténol inhalés sur les résultats postopératoires en chirurgie cardiaque. Deux études ont été conduites. Dans la première, trois groupes de porcelets ont été comparés : (1) groupe milrinone avec nébulisateur ultrasonique ; CEC et reperfusion précédées par 2,5 mg de milrinone inhalée, (2) goupe milrinone avec nébulisateur à simple jet ; CEC et reperfusion précédées par 2,5 mg de milrinone inhalée et (3) groupe contrôle ; CEC et reperfusion sans traitement. Durant la procédure, les paramètres hémodynamiques, biochimiques et hématologiques ont été mesurés. Après sacrifice, la relaxation endothélium dépendante de l’artère pulmonaire à l’acétylcholine et à la bradykinine a été étudiée en chambres d’organe. Nous avons noté une amélioration de la relaxation de l’endothélium à la bradykinine et à l’acétylcholine dans le groupe avec inhalation de milrinone avec le nébulisateur ultrasonique. Dans la deuxième étude, une analyse rétrospective de 60 patients à haut risque chirurgical atteints d’HTP et opérés à l’Institut de Cardiologie de Montréal à été effectuée. Deux groupes ont été comparés : (1) 40 patients ayant reçu la combinaison de milrinone et d’époprosténol inhalés avant la CEC (groupe traitement) et (2) 20 patients avec des caractéristiques préopératoires n’ayant reçu aucun traitement inhalé avant la CEC (groupe contrôle). Nous avons observé que les besoins en support pharmacologique vasoactif était réduit à 12 heures et à 24 heures postopératoires dans le groupe traitement. L’utilisation de la nébulisation ultrasonique a un impact favorable sur l’endothélium de l’artère pulmonaire après la CEC lorsque comparée à la nébulisation standard à simple jet. Le traitement préventif des patients atteints d’HTP avec la combinaison de milrinone et d’époprosténol inhalés avant la CEC est associé avec une diminution importante des besoins de support vasoactif aux soins intensifs dans les 24 premières heures après la chirurgie.

Évaluation du rôle du récepteur CD36 comme cible thérapeutique potentielle dans le traitement de la maladie cardiaque ischémique

La maladie cardiaque ischémique, la plus commune des maladies qui affectent le cœur, est encore aujourd’hui une importante cause de décès dans les pays industrialisés. Une réponse cardio-métabolique inflammatoire à un changement aigu initié par une modification du métabolisme énergétique du cœur ischémique est accentuée après que l’apport en oxygène ait été rétabli. Parmi les altérations délétères dans le myocarde qui en résultent, sont inclus l’accumulation d’acides gras non estérifiés (AGNE) ainsi que leur oxydation au détriment de l’utilisation du glucose, ce qui amplifie la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Les tissus en périphérie du cœur tel que le tissu adipeux peuvent affecter l’étendue des blessures au myocarde par la relâche en circulation de substances bioactives comme les AGNE et l’adiponectine. Le CD36 est le principal facilitateur de l’entrée d’AGNE dans le cœur et les adipocytes et constitue une importante cible métabolique spécialement lors d’un stress d’ischémie-reperfusion (I/R). Il a été rapporté précédemment par notre groupe qu’un ligand synthétique et sélectif envers le CD36 exerce un effet protecteur puissant sur le système vasculaire. Cependant, aucune étude in vivo n’a rapporté d’effet cardioprotecteur de ligands sélectifs envers le CD36. Ainsi, ce projet visait à évaluer le rôle et possiblement l’effet cardioprotecteur de ligands sélectifs du récepteur CD36 sur la blessure au myocarde en I/R. Des souris CD36+/+ et CD36-/- ont été traitées quotidiennement avec le EP 80317, le CP-3(iv) ou le véhicule pendant 14 jours avant de subir la ligature temporaire de l’artère coronaire antérieure descendante gauche (LAD). Notre première étude a montré que le EP 80317 exerce un effet cardioprotecteur puissant tel que montré par la réduction de la surface des lésions et l’amélioration de la fonction cardiaque in vivo suivant la blessure au myocarde en I/R. De plus, le EP 80317 a réduit l’internalisation totale d’AGNE dans le myocarde, mesurée in vivo par l’imagerie métabolique cardiaque, en accord avec la diminution du niveau circulant d’AGNE. Une réduction de la lipolyse révélée par une perfusion de radiotraceur de palmitate et une augmentation du niveau d’expression de gènes adipogéniques et anti-lipolytiques appuient davantage l’effet du EP 80317 dans la prévention de la mobilisation délétère d’acides gras du tissu adipeux. Notre deuxième étude a investigué le mécanisme cardioprotecteur d’une nouvelle génération de ligands dotés d’une plus grande affinité de liaison envers le CD36. Cette étude a montré que le CP-3(iv) est aussi pourvu d’un puissant effet cardioprotecteur comme le montre la réduction de la taille de l’infarctus et l’amélioration de la fonction cardiaque post-I/R du myocarde qui est fonction d’une signalisation métabolique et anti-oxydante de l’adiponectine. En effet, l’augmentation des principales voies de signalisation régulant la sécrétion de l’adiponectine et des gènes antioxydants a été démontrée dans le tissu adipeux suivant l’I/R du myocarde et un traitement avec le CP-3(iv). L’activation de la protéine kinase B ou Akt dans le myocarde avec la diminution de la génération de ROS et de la signalisation de mort cellulaire appuient davantage le rôle cardioprotecteur du CP-3(iv) dans l’I/R du myocarde. En conclusion, le travail présenté dans cette thèse soutient qu’une signalisation du CD36 par le EP 80317 et le CP-3(iv) pourrait s’avérer être une nouvelle approche thérapeutique dans le traitement de la maladie cardiaque ischémique. Ces ligands synthétiques sélectifs envers le CD36 provoquent un effet salutaire sur le myocarde ischémique par le biais d’une amélioration du profil métabolique dans les premières heures de la reperfusion. Le EP 80317 réduit le niveau délétère d’AGNE et leur internalisation dans le cœur en situation d’excès, tandis que le CP-3(iv) augmente le niveau bénéfique d’adiponectine et son effet cardioprotecteur.

Préconditionnement ischémique et exercice : de la réadaptation à la performance

La pratique d’activité physique fait partie intégrante des recommandations médicales pour prévenir et traiter les maladies coronariennes. Suivant un programme d’entraînement structuré, serait-il possible d’améliorer la réponse à l’exercice tout en offrant une protection cardiaque au patient? C’est ce que semblent démontrer certaines études sur le préconditionnement ischémique (PCI) induit par un test d’effort maximal. Les mêmes mécanismes physiologiques induits par le PCI sont également observés lorsqu’un brassard est utilisé pour créer des cycles d’ischémie/reperfusion sur un muscle squelettique. Cette méthode est connue sous l’appellation : préconditionnement ischémique à distance (PCID). À l’autre extrémité du spectre de l’activité physique, des sportifs ont utilisé le PCDI durant leur échauffement afin d’améliorer leurs performances. C’est dans l’objectif d’étudier ces prémisses que se sont construits les projets de recherches suivants. La première étude porte sur les effets du PCID sur des efforts supra maximaux de courte durée. Les sujets (N=16) ont exécuté un test alactique (6 * 6 sec. supra maximales) suivi d’un test lactique (30 secondes supra maximales) sur ergocycle. Les sujets avaient été aléatoirement assignés à une intervention PCID ou à une intervention contrôle (CON) avant d’entreprendre les efforts. La procédure PCID consiste à effectuer quatre cycles d’ischémie de cinq minutes à l’aide d’un brassard insufflé à 50 mm Hg de plus que la pression artérielle systolique sur le bras. Les résultats de ce projet démontrent que l’intervention PCID n’a pas d’effets significatifs sur l’amélioration de performance provenant classiquement du « système anaérobie », malgré une légère hausse de la puissance maximal en faveur du PCID sur le test de Wingate de trente secondes (795 W vs 777 W) et sur le test de force-vitesse de six secondes (856 W vs 847 W). Le deuxième essai clinique avait pour objectif d’étudier les effets du PCID, selon la méthode élaborée dans le premier projet, lors d’un effort modéré de huit minutes (75 % du seuil ventilatoire) et un effort intense de huit minutes (115 % du seuil ventilatoire) sur les cinétiques de consommation d’oxygène. Nos résultats démontrent une accélération significative des cinétiques de consommation d’oxygène lors de l’intervention PCID par rapport au CON aux deux intensités d’effort (valeur de τ1 à effort modéré : 27,2 ± 4,6 secondes par rapport à 33,7 ± 6,2, p < 0,01 et intense : 29,9 ± 4,9 secondes par rapport à 33,5 ± 4,1, p < 0,001) chez les sportifs amateurs (N=15). Cela se traduit par une réduction du déficit d’oxygène en début d’effort et une atteinte plus rapide de l’état stable. Le troisième projet consistait à effectuer une revue systématique et une méta-analyse sur la thématique du préconditionnement ischémique (PCI) induit par un test d’effort chez les patients coronariens utilisant les variables provenant de l’électrocardiogramme et des paramètres d’un test d’effort. Notre recherche bibliographique a identifié 309 articles, dont 34 qui ont été inclus dans la méta-analyse, qui représente un lot de 1 053 patients. Nos analyses statistiques démontrent que dans un effort subséquent, les patients augmentent leur temps avant d’atteindre 1 mm de sous-décalage du segment ST de 91 secondes (p < 0,001); le sous-décalage maximal diminue de 0,38 mm (p < 0,01); le double produit à 1 mm de sous-décalage du segment ST augmente de 1,80 x 103 mm Hg (p < 0,001) et le temps total d’effort augmente de 50 secondes (p < 0,001). Nos projets de recherches ont favorisé l’avancement des connaissances en sciences de l’activité physique quant à l’utilisation d’un brassard comme stimulus au PCID avant un effort physique. Nous avons évalué l’effet du PCID sur différentes voies métaboliques à l’effort pour conclure que la méthode pourrait accélérer les cinétiques de consommation d’oxygène et ainsi réduire la plage du déficit d’oxygène. Nos découvertes apportent donc un éclaircissement quant à l’amélioration des performances de type contre-la-montre étudié par d’autres auteurs. De plus, nous avons établi des paramètres cliniques permettant d’évaluer le PCI induit par un test d’effort chez les patients coronariens.

Regulation of expression of the rat orthologue of mouse double minute 2 (MDM2) by H2O2-induced oxidative stress in neonatal rat cardiac myocytes.

The Mdm2 ubiquitin ligase is an important regulator of p53 abundance and p53-dependent apoptosis. Mdm2 expression is frequently regulated by a p53 Mdm2 autoregulatory loop whereby p53 stimulates Mdm2 expression and hence its own degradation. Although extensively studied in cell lines, relatively little is known about Mdm2 expression in heart where oxidative stress (exacerbated during ischemia-reperfusion) is an important pro-apoptotic stimulus. We demonstrate that Mdm2 transcript and protein expression are induced by oxidative stress (0.2 mm H(2)O(2)) in neonatal rat cardiac myocytes. In other cells, constitutive Mdm2 expression is regulated by the P1 promoter (5' to exon 1), with inducible expression regulated by the P2 promoter (in intron 1). In myocytes, H(2)O(2) increased Mdm2 expression from the P2 promoter, which contains two p53-response elements (REs), one AP-1 RE, and two Ets REs. H(2)O(2) did not detectably increase expression of p53 mRNA or protein but did increase expression of several AP-1 transcription factors. H(2)O(2) increased binding of AP-1 proteins (c-Jun, JunB, JunD, c-Fos, FosB, and Fra-1) to an Mdm2 AP-1 oligodeoxynucleotide probe, and chromatin immunoprecipitation assays showed it increased binding of c-Jun or JunB to the P2 AP-1 RE. Finally, antisense oligonucleotide-mediated reduction of H(2)O(2)-induced Mdm2 expression increased caspase 3 activation. Thus, increased Mdm2 expression is associated with transactivation at the P2 AP-1 RE (rather than the p53 or Ets REs), and Mdm2 induction potentially represents a cardioprotective response to oxidative stress.

Stimulation of "stress-regulated" mitogen-activated protein kinases (stress-activated protein kinases/c-Jun N-terminal kinases and p38-mitogen-activated protein kinases) in perfused rat hearts by oxidative and other stresses.

"Stress-regulated" mitogen-activated protein kinases (SR-MAPKs) comprise the stress-activated protein kinases (SAPKs)/c-Jun N-terminal kinases (JNKs) and the p38-MAPKs. In the perfused heart, ischemia/reperfusion activates SR-MAPKs. Although the agent(s) directly responsible is unclear, reactive oxygen species are generated during ischemia/reperfusion. We have assessed the ability of oxidative stress (as exemplified by H2O2) to activate SR-MAPKs in the perfused heart and compared it with the effect of ischemia/reperfusion. H2O2 activated both SAPKs/JNKs and p38-MAPK. Maximal activation by H2O2 in both cases was observed at 0.5 mM. Whereas activation of p38-MAPK by H2O2 was comparable to that of ischemia and ischemia/reperfusion, activation of the SAPKs/JNKs was less than that of ischemia/reperfusion. As with ischemia/reperfusion, there was minimal activation of the ERK MAPK subfamily by H2O2. MAPK-activated protein kinase 2 (MAPKAPK2), a downstream substrate of p38-MAPKs, was activated by H2O2 to a similar extent as with ischemia or ischemia/reperfusion. In all instances, activation of MAPKAPK2 in perfused hearts was inhibited by SB203580, an inhibitor of p38-MAPKs. Perfusion of hearts at high aortic pressure (20 kilopascals) also activated the SR-MAPKs and MAPKAPK2. Free radical trapping agents (dimethyl sulfoxide and N-t-butyl-alpha-phenyl nitrone) inhibited the activation of SR-MAPKs and MAPKAPK2 by ischemia/reperfusion. These data are consistent with a role for reactive oxygen species in the activation of SR-MAPKs during ischemia/reperfusion.

PKC-dependent activation of p46/p54 JNKs during ischemic preconditioning in conscious rabbits.

A conscious rabbit model was used to study the effect of ischemic preconditioning (PC) on stress-activated kinases [c-Jun NH(2)-terminal kinases (JNKs) and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK)] in an environment free of surgical trauma and attending external stress. Ischemic PC (6 cycles of 4-min ischemia/4-min reperfusion) induced significant activation of protein kinase C (PKC)-epsilon in the particulate fraction, which was associated with activation of p46 JNK in the nuclear fraction and p54 JNK in the cytosolic fraction; all of these changes were completely abolised by the PKC inhibitor chelerythrine. Selective enhancement of PKC-epsilon activity in adult rabbit cardiac myocytes resulted in enhanced activity of p46/p54 JNKs, providing direct in vitro evidence that PKC-epsilon is coupled to both kinases. Studies in rabbits showed that the activation of p46 JNK occurred during ischemia, whereas that of p54 JNK occurred after reperfusion. A single 4-min period of ischemia induced a robust activation of the p38 MAPK cascade, which, however, was attenuated after 5 min of reperfusion and disappeared after six cycles of 4-min ischemia/reperfusion. Overexpression of PKC-epsilon in cardiac myocytes failed to increase the p38 MAPK activity. These results demonstrate that ischemic PC activates p46 and p54 JNKs via a PKC-epsilon-dependent signaling pathway and that there are important differences between p46 and p54 JNKs with respect to the subcellular compartment (cytosolic vs. nuclear) and the mechanism (ischemia vs. reperfusion) of their activation after ischemic PC.

NITRIC OXIDE MEDIATES LUNG VASCULAR PERMEABILITY AND LYMPH-BORNE IL-6 AFTER AN INTESTINAL ISCHEMIC INSULT

Acute lung injury following intestinal I/R depends on neutrophil-endothelial cell interactions and on cytokines drained from the gut through the lymph. Among the mediators generated during I/R, increased serum levels of IL-6 and NO are also found and might be involved in acute lung injury. Once intestinal ischemia itself may be a factor of tissue injury, in this study, we investigated the presence of IL-6 in lymph after intestinal ischemia and its effects on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) detachment. The involvement of NO on the increase of lung and intestinal microvascular permeability and the lymph effects on HUVEC detachment were also studied. Upon anesthesia, male Wistar rats were subjected to occlusion of the superior mesenteric artery during 45 min, followed by 2-h intestinal reperfusion. Rats were treated with the nonselective NO synthase (NOS) inhibitor L-NAME (N(omega)-nitro-L-arginine methyl ester) or with the selective inhibitor of iNOS aminoguanidine 1 h before superior mesenteric artery occlusion. Whereas treatment with L-NAME during ischemia increased both IL-6 levels in lymph and lung microvascular permeability, aminoguanidine restored the augmented intestinal plasma extravasation due to ischemia and did not induce IL-6 in lymph. On the other hand, IL-6 and lymph of intestinal I/R detached the HUVECs, whereas lymph of ischemic rats upon L-NAME treatment when incubated with anti-IL-6 prevented HUVEC detachment. It is shown that the intestinal ischemia itself is sufficient to increase intestinal microvascular permeability with involvement of iNOS activation. Intestinal ischemia and absence of constitutive NOS activity leading to additional intestinal stress both cause release of IL-6 and increase of lung microvascular permeability. Because anti-IL-6 prevented the endothelial cell injury caused by lymph at the ischemia period, the lymph-borne IL-6 might be involved with endothelial cell activation. At the reperfusion period, this cytokine does not seem to be modulated by NO.

Bone marrow mononuclear cells attenuate fibrosis development after severe acute kidney injury

One of the early phases that lead to fibrosis progression is inflammation. Once this stage is resolved, fibrosis might be prevented. Bone marrow mononuclear cells (BMMCs) are emerging as a new therapy for several pathologies, including autoimmune diseases, because they enact immunosuppression. In this study we aimed to evaluate the role of BMMC administration in a model of kidney fibrosis induced by an acute injury. C57Bl6 mice were subjected to unilateral severe ischemia by clamping the left renal pedicle for 1 h. BMMCs were isolated from femurs and tibia, and after 6 h of reperfusion, 1 x 10(6) cells were administrated intraperitoneally. At 24 h after surgery, treated animals showed a significant decrease in creatinine and urea levels when compared with untreated animals. Different administration routes were tested. Moreover, interferon (IFN) receptor knockout BMMCs were used, as this receptor is necessary for BMMC activation. Labeled BMMCs were found in ischemic kidney on FACS analysis. This improved outcome was associated with modulation of inflammation in the kidney and systemic modulation, as determined by cytokine expression profiling. Despite non-amelioration of functional parameters, kidney mRNA expression of interleukin (IL)-6 at 6 weeks was lower in BMMC-treated animals, as were levels of collagen 1, connective tissue growth factor (CTGF), transforming growth factor-beta (TGF-beta) and vimentin. Protective molecules, such as IL-10, heme oxygenase 1 (HO-1) and bone morphogenetic 7 (BMP-7), were increased in treated animals after 6 weeks. Moreover, Masson and Picrosirius red staining analyses showed less fibrotic areas in the kidneys of treated animals. Thus, early modulation of inflammation by BMMCs after an ischemic injury leads to reduced fibrosis through modulation of early inflammation.

Modulation of inflammatory response by selective inhibition of cyclooxygenase-1 and cyclooxygenase-2 in acute kidney injury

This work explored the role of inhibition of cyclooxygenases (COXs) in modulating the inflammatory response triggered by acute kidney injury. C57Bl/6 mice were used. Animals were treated or not with indomethacin (IMT) prior to injury (days -1 and 0). Animals were subjected to 45 min of renal pedicle occlusion and sacrificed at 24 h after reperfusion. Serum creatinine and blood urea nitrogen, reactive oxygen species (ROS), kidney myeloperoxidase (MPO) activity, and prostaglandin E2 (PGE(2)) levels were analyzed. Tumor necrosis factor (TNF)-alpha, t-bet, interleukin (IL)-10, IL-1 beta, heme oxygenase (HO)-1, and prostaglandin E synthase (PGES) messenger RNA (mRNA) were studied. Cytokines were quantified in serum. IMT-treated animals presented better renal function with less acute tubular necrosis and reduced ROS and MPO production. Moreover, the treatment was associated with lower expression of TNF-alpha, PGE(2), PGES, and t-bet and upregulation of HO-1 and IL-10. This profile was mirrored in serum, where inhibition of COXs significantly decreased interferon (IFN)-gamma, TNF-alpha, and IL-12 p70 and upregulated IL-10. COXs seem to play an important role in renal ischemia and reperfusion injury, involving the secretion of pro-inflammatory cytokines, activation of neutrophils, and ROS production. Inhibition of COX pathway is intrinsically involved with cytoprotection.

Mesenchymal Stem Cells Attenuate Renal Fibrosis Through Immune Modulation and Remodeling Properties in a Rat Remnant Kidney Model

Mesenchymal stem cells (MSCs) have regenerative properties in acute kidney injury, but their role in chronic kidney diseases is still unknown. More specifically, it is not known whether MSCs halt fibrosis. The purpose of this work was to investigate the role of MSCs in fibrogenesis using a model of chronic renal failure. MSCs were obtained from the tibias and femurs of male Wistar-EPM rats. Female Wistar rats were subjected to the remnant model, and 2 vertical bar x vertical bar 10(5) MSCs were intravenously administrated to each rat every other week for 8 weeks or only once and followed for 12 weeks. SRY gene expression was observed in female rats treated with male MSCs, and immune localization of CD73(+)CD90(+) cells at 8 weeks was also assessed. Serum and urine analyses showed an amelioration of functional parameters in MSC-treated animals at 8 weeks, but not at 12 weeks. Masson`s trichrome and Sirius red staining demonstrated reduced levels of fibrosis in MSC-treated animals. These results were corroborated by reduced vimentin, type I collagen, transforming growth factor beta, fibroblast specific protein 1 (FSP-1), monocyte chemoattractant protein 1, and Smad3 mRNA expression and alpha smooth muscle actin and FSP-1 protein expression. Renal interleukin (IL)-6 and tumor necrosis factor alpha mRNA expression levels were significantly decreased after MSC treatment, whereas IL-4 and IL-10 expression levels were increased. All serum cytokine expression levels were decreased in MSC-treated animals. Taken together, these results suggested that MSC therapy can indeed modulate the inflammatory response that follows the initial phase of a chronic renal injury. The immunosuppressive and remodeling properties of MSCs may be involved in the decreased fibrosis in the kidney. STEM CELLS 2009;27:3063-3073

Toll-like receptors-related genes in kidney transplant patients with chronic allograft nephropathy and acute rejection

Introduction: Toll-like receptors (TLR) comprehend an emerging family of receptors that recognize pathogen-associated molecular patterns and promote the activation of leukocytes. Surgical trauma and ischemia-reperfusion injury are likely to provide exposure to endogenous ligands for TLR in virtually all kidney transplant recipients. Methods: Macroarray (GEArray OHS-018.2 Series-Superarray) analyses of 128 genes involved in TLR signaling pathway were performed in nephrectomy samples of patients with chronic allograft nephropathy (CAN) and acute rejection (AR, vascular and non vascular). The analysis of each membrane was performed by GEArray Expression Analysis Suite 2.0. Results: Macroarray profile identified a gene expression signature that could discriminate CAN and AR. Three genes were significantly expressed between CAN and vascular AR: Pellino 2; IL 8 and UBE2V1. In relation to vascular and non-vascular AR, there were only two genes with statistical significance: IL-6 and IRAK-3. Conclusion: Vascular and non-vascular AR and CAN showed different expression of a few genes in TLR pathway. The analysis of nephrectomy showed that activation of TLR pathway is present in AR and CAN. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Early modulation of inflammation by mesenchymal stem cell after acute kidney injury

Therapy with stem cells has showed to be promising for acute kidney injury (AKI), although how it works is still controversial. Modulation of the inflammatory response is one possible mechanism. Most of published data relies on early time and whether the protection is still maintained after that is not known. Here, we analyzed whether immune modulation continues after 24 h of reperfusion. MSC were obtained from male Wistar rats. After 3-5 passages, cells were screened for CD73, CD90, CD44, CD45, CD29 and CD 31. In addition, MSC were submitted to differentiation in adipocyte and in osteocyte. AKI was induced by bilaterally clamping of renal pedicles for 60 min. Six hours after injury, MSC (2 x 105 cells) were administered intravenously. MSC-treated animals presented the lowest serum creatinine compared to non-treated animals (24 h: 1.3 +/- 0.21 vs. 3.23 +/- 0.89 mg/dl, p<0.05). The improvement in renal function was followed by a lower expression of IL-1b, IL-6 and TNF-alpha and higher expression of IL-4 and IL-10. However, 48 h after reperfusion, this cytokine profile has changed. The decrease in Th1 cytokines was less evident and IL-6 was markedly up regulated. PCNA analysis showed that regeneration occurs faster in kidney tissues of MSC-treated animals than in controls at 24 h. And also ratio of Bcl-2/Bad was higher at treated animals after 24 and 48 h. Our data demonstrated that the immunomodulatory effects of MSC occur at very early time point, changing the inflammation profile toward a Th2 profile. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.