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.

Levosimendan in patients with ischaemic heart disease

Levosimendan is a drug developed for the treatment of heart failure. Its mechanism of action includes calcium sensitization of contractile proteins and the opening of ATP-sensitive potassium channels. The combination of positive inotropy with possible anti-ischaemic effects via potassium channel opening may offer benefits in comparison with currently available intravenous inotropes, which are contraindicated in patients with ongoing myocardial ischaemia. The active levosimendan metabolite OR-1896 significantly prolongs the duration of the haemodynamic effects of levosimendan. The aims of the present study were to investigate: 1) the clinical effects and safety of intravenous and oral levosimendan and 2) the pharmacodynamics and pharmacokinetics of intravenous and oral levosimendan and its metabolites in patients with ischaemic heart disease. Levosimendan was administered intravenously or orally in four studies to 557 patients with ischaemic heart disease with or without concomitant heart failure. One study included patients with acute myocardial infarction, while the other three studies included stable ischaemic patients. Non-invasive haemodynamic measurements were used in all studies, and blood samples for pharmacokinetics were drawn in three studies. Safety was followed by ECG recordings, adverse event inquiries and laboratory assessments. Intravenous levosimendan, administered as a 6-hour infusion did not cause clinically significant hypotension or ischaemia in comparison with placebo and reduced worsening heart failure and short- and long-term mortality. Increase in incidence of hypotension and ischaemia was seen only with the highest dose (0.4 µg/kg/min). Both intravenous and oral levosimendan possessed a moderate positive inotropic effect. Vasodilatory effect was more pronounced with intravenous levosimendan. A chronotropic effect was seen in all studies; however, it was not accompanied by any increase in arrhythmic events. The formation of levosimendan metabolites after oral dosing increased linearly with the daily dose of the parent drug, leading to increased inotropic and chronotropic response. Levosimendan was well tolerated in all studies. In conclusion, levosimendan was safe and effective in the treatment of patients with acute or chronic ischaemia. The risk-benefit ratio of intravenous levosimendan is favourable up to the dose of 0.2 µg/kg/min. The daily dose of oral levosimendan in patients with ischaemic heart failure should not exceed 4 mg due to an increase in chronotropic response.

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.

Diabetic cardiomyopathy and post-infarct ventricular remodelling : Effects of levosimendan in a rodent model of type II diabetes

Type 2 diabetes is a risk factor for the development of cardiovascular disease. Recently, the term diabetic cardiomyopathy has been proposed to describe the changes in the heart that occur in response to chronic hyperglycemia and insulin resistance. Ventricular remodelling in diabetic cardiomyopathy includes left ventricular hypertrophy, increased interstitial fibrosis, apoptosis and diastolic dysfunction. Mechanisms behind these changes are increased oxidative stress and renin-angiotensin system activation. The diabetic Goto-Kakizaki rat is a non-obese model of type 2 diabetes that exhibits defective insulin signalling. Recently two interconnected stress response pathways have been discovered that link insulin signalling, longevity, apoptosis and cardiomyocyte hypertrophy. The insulin-receptor PI3K/Ak pathway inhibits proapoptotic FOXO3a in response to insulin signalling and the nuclear Sirt1 deacetylase inhibits proapoptotic p53 and modulates FOXO3a in favour of survival and growth. --- Levosimendan is a calcium sensitizing agent used for the management of acute decompensated heart failure. Levosimendan acts as a positive inotrope by sensitizing cardiac troponin C to calcium and exerts vasodilation by opening mitochondrial and sarcolemmal ATP-sensitive potassium channels. Levosimendan has been described to have beneficial effects in ventricular remodelling after myocardial infarction. The aims of the study were to characterize whether diabetic cardiomyopathy associates with cardiac dysfunction, cardiomyocyte apoptosis, hypertrophy and fibrosis in spontaneously diabetic Goto-Kakizaki (GK) rats, which were used to model type 2 diabetes. Protein expression and activation of the Akt FOXO3a and Sirt1 p53 pathways were examined in the development of ventricular remodelling in GK rats with and without myocardial infarction (MI). The third and fourth studies examined the effects of levosimendan on ventricular remodelling and gene expression in post-MI GK rats. The results demonstrated that diabetic GK rats develop both modest hypertension and features similar to diabetic cardiomyopathy including cardiac dysfunction, LV hypertrophy and fibrosis and increased apoptotic signalling. MI induced a sustained increase in cardiomyocyte apoptosis in GK rats together with aggravated LV hypertrophy and fibrosis. The GK rat myocardium exhibited decreased Akt- FOXO3a phosphorylation and increased nuclear translocation of FOXO3a and overproduction of the Sirt1 protein. Treatment with levosimendan decreased cardiomyocyte apoptosis, senescence and LV hypertrophy and altered the gene expression profile in GK rat myocardium. The findings indicate that impaired cardioprotection via Akt FOXO3a and p38 MAPK is associated with increased apoptosis, whereas Sirt1 functions in counteracting apoptosis and the development of LV hypertrophy in the GK rat myocardium. Overall, levosimendan treatment protects against post-MI ventricular remodelling and alters the gene expression profile in the GK rat myocardium.

Levosimendaanin vaikutusmekanismi ja nykyinen merkitys sydämen vajaatoiminnan hoidossa

Sydämen vajaatoiminta on erilaisista sydän- ja verisuonisairauksista aiheutuva monimuotoinen oireyhtymä, johon sairastuneiden ja kuolleiden potilaiden määrä on yhä suuri. Sen patofysiologiaan voi kuulua muun muassa sympaattisen hermoston ja reniini-angiotensiini-aldosteroni–järjestelmän aktiivisuutta, huonosti supistuva vasen kammio, sydämen uudelleenmuokkautumista, muutoksia [Ca2+]i:n säätelyssä, kardiomyosyyttien apoptoosia sekä systeeminen tulehdustila. Johonkin osaan sairauden patofysiologiasta eivät nykyiset lääkehoidot riittävästi vaikuta. Klassiset inotroopit lisäävät sydämen supistusvireyttä kasvattamalla solunsisäistä Ca2+-pitoisuutta, mutta ne lisäävät rytmihäiriöriskiä, sydämen hapenkulutusta sekä heikentävät ennustetta. Levosimendaani, kalsiumherkistäjä, lisää sydämen supistusvoimaa [Ca2+]i:ta kohottamatta herkistämällä sydänlihaksen kalsiumin vaikutuksille. Lisäksi levosimendaani avaa sarkolemmaalisia ja mitokondriaalisia K+-kanavia, jotka välittävät vasodilataatiota ja kardioprotektiota. Suurilla annoksilla levosimendaani on selektiivinen PDE3-estäjä. Levosimendaania suositellaan äkillisesti pahentuneen sydämen vajaatoiminnan hoitoon, mutta muitakin lupaavia indikaatioita sille on keksitty. Esimerkiksi kroonisesti annosteltu oraalinen levosimendaani on suojannut kardiovaskulaarijärjestelmää ja parantanut selviytymistä in vivo. Erikoistyössä selvitettiin kroonisesti annostellun oraalisen levosimendaanin, valsartaanin ja näiden kombinaatioterapian vaikutuksia selviytymiseen, verenpaineeseen sekä sydämen hypertrofioitumiseen Dahlin suolaherkillä (Dahl/Rapp) rotilla. Levosimendaanin suojavaikutus ilmeni vähäisempänä kuolleisuutena, mutta ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä kontrolliryhmään nähden. Kombinaatioterapia suojasi rottia kardiovaskulaarikuolleisuudelta ja vähensi todennäköisesti verenpaineesta riippuvaisesti sydämen hypertofioitumista niin sydän/kehonpaino–suhteen kuin ultraäänitutkimuksenkin perusteella arvioituna paremmin kuin kumpikaan lääke monoterapiana. Lääkekombinaatio alensi additiivisesti hypertensiota kaikissa mittauspisteissä. Sydämen systolista toimintaa levosimendaani kohensi vain vähäisesti. Dahl/Rapp-rotille kehittyikin pääosin hypertension indusoimaa diastolista sydämen vajaatoimintaa kohonneen IVRT-arvon perusteella. Levosimendaani sekä monoterapiana että kombinaatioterapiana valsartaanin kanssa vähensi sydämen diastolista vajaatoimintaa.

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.