Xanthine oxidoreductase in essential hypertension and metabolic syndrome : Experimental studies on rodent models

Hypertension, obesity, dyslipidemia and dysglycemia constitute metabolic syndrome, a major public health concern, which is associated with cardiovascular mortality. High dietary salt (NaCl) is the most important dietary risk factor for elevated blood pressure. The kidney has a major role in salt-sensitive hypertension and is vulnerable to harmful effects of increased blood pressure. Elevated serum urate is a common finding in these disorders. While dysregulation of urate excretion is associated with cardiovascular diseases, present studies aimed to clarify the role of xanthine oxidoreductase (XOR), i.e. xanthine dehydrogenase (XDH) and its post-translational isoform xanthine oxidase (XO), in cardiovascular diseases. XOR yields urate from hypoxanthine and xanthine. Low oxygen levels upregulate XOR in addition to other factors. In present studies higher renal XOR activity was found in hypertension-prone rats than in the controls. Furthermore, NaCl intake increased renal XOR dose-dependently. To clarify whether XOR has any causal role in hypertension, rats were kept on NaCl diets for different periods of time, with or without a XOR inhibitor, allopurinol. While allopurinol did not alleviate hypertension, it prevented left ventricular and renal hypertrophy. Nitric oxide synthases (NOS) produce nitric oxide (NO), which mediates vasodilatation. A paucity of NO, produced by NOS inhibition, aggravated hypertension and induced renal XOR, whereas NO generating drug, alleviated salt-induced hypertension without changes in renal XOR. Zucker fa/fa rat is an animal model of metabolic syndrome. These rats developed substantial obesity and modest hypertension and showed increased hepatic and renal XOR activities. XOR was modified by diet and antihypertensive treatment. Cyclosporine (CsA) is a fungal peptide and one of the first-line immunosuppressive drugs used in the management of organ transplantation. Nephrotoxicity ensue high doses resulting in hypertension and limit CsA use. CsA increased renal XO substantially in salt-sensitive rats on a high NaCl diet, indicating a possible role for this reactive oxygen species generating isoform in CsA nephrotoxicity. Renal hypoxia, common to these rodent models of hypertension and obesity, is one of the plausible XOR inducing factors. Although XOR inhibition did not prevent hypertension, present experimental data indicate that XOR plays a role in the pathology of salt-induced cardiac and renal hypertrophy.

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.