Mgr Tomasz Bednarski Dziedzina: nauki biologiczne Dyscyplina: biologia Wszczęcie: 27.06.2014 r. Temat: Rola kwasów tłuszczowych w metabolizmie mięśnia sercowego oraz patogenezie przerostu lewej komory serca Promotor: dr hab. Paweł Dobrzyń, prof. nadzw. Recenzenci: prof. dr hab. Tomasz Guzik, dr hab. n. med. Ewa Stelmańska
Choroby układu sercowo-naczyniowego związane są z takimi czynnikami ryzyka jak niewłaściwa dieta, brak aktywności fizycznej, otyłość, nadciśnienie tętnicze czy cukrzyca typu 2. Czynniki te prowadzą do rozwoju patologicznego przerostu lewej komory mięśnia sercowego charakteryzującego się zwiększeniem grubości jego ścian do wewnątrz, co w dłuższym okresie czasu prowadzi do niewydolności serca. Mięsień sercowy może przyrastać także ekscentrycznie, z proporcjonalnym powiększeniem ściany lewej komory oraz samej komory, co prowadzi do zwiększenia wydolności serca. Ten rodzaj przebudowy adaptacyjnej serca określamy jako przerost fizjologiczny i jest on wywoływany np. przez intensywny trening wytrzymałościowy. Przerost serca wiąże się ze zmianami w jego metabolizmie energetycznym. W warunkach fizjologicznych kwasy tłuszczowe pokrywają ok. 60% zapotrzebowania energetycznego serca, natomiast źródłem pozostałych 40% energii jest glukoza. W stanach chorobowych, takich jak otyłość czy cukrzyca, zużycie substratów energetycznych w mięśniu sercowym przesuwa się w stronę zwiększonego utlenienia glukozy. Sugeruje się, że to właśnie ta zmiana prowadzi do rozwoju kardiomiopatii i przebudowy lewej komory serca o charakterze patologicznym. Regulatorowa funkcja kwasów tłuszczowych w kardiomiocytach oraz molekularne mechanizmy biorące udział w regulacji metabolizmu energetycznego mięśnia sercowego podczas rozwoju przerostu lewej komory nie zostały jak do tej pory poznane. Badania ostatnich lat wykazały, że białka zaangażowane w innych tkankach w procesy związane z metabolizmem lipidów, w sercu mogą wpływać na aktywność szlaków sygnałowych. Jednym z takich białek jest desaturaza stearoilo-coa 1 (SCD1), która katalizuje reakcję syntezy jednonienasyconych kwasów tłuszczowych. W sercu SCD1 bierze dodatkowo udział w regulacji metabolizmu poprzez kontrolę ekspresji genów kodujących białka biorące udział w transporcie i syntezie kwasów tłuszczowych oraz zwiększeniu użycia glukozy jako substratu energetycznego, z jednoczesnym obniżeniem aktywności szlaku oksydacyjnego regulowanego przez receptory aktywowane przez proliferatory peroksysomów α (PPARα) oraz tempa wykorzystania kwasów tłuszczowych. Wykazano także, że wprowadzenie nokautu genu SCD1 u otyłych myszy ob/ob prowadzi do istotnego obniżenia akumulacji lipidów w sercu, spadku poziomu apoptozy kardiomiocytów oraz istotnej poprawy funkcji rozkurczowej i skurczowej lewej komory. Dodatkowo zarówno substrat reakcji katalizowanej przez SCD1, kwas stearynowy, jak i jej produkt, kwas oleinowy, są bardzo aktywnymi metabolicznie związkami, które również mogą wpływać na budowę i funkcję serca. Stąd, głównym celem niniejszej pracy doktorskiej było określenie roli szlaków sygnałowych regulujących metabolizm lipidów w rozwoju fizjologicznego i patologicznego przerostu lewej komory mięśnia sercowego. Poza tym zbadano wpływ długołańcuchowych kwasów tłuszczowych metabolizowanych przez SCD1, tj. kwasu stearynowego i oleinowego, na metabolizm, strukturę i funkcję mięśnia sercowego oraz możliwą zależność pomiędzy SCD1 oraz PPARα w regulacji metabolizmu lipidów w kardiomiocytach. Badania zostały przeprowadzone in vivo z wykorzystaniem 1
następujących modeli zwierzęcych: 1) szczury karmione dietami wzbogaconymi w tristearynian i trioleinian; 2) szczury ze spontanicznie rozwijającym się nadciśnieniem (SHR); 3) szczury z przerostem wywołanym przeciążeniem ciśnieniowym; 4) szczury poddane treningowi wytrzymałościowemu oraz 5) myszy SCD1 -/-, PPARα -/-, podwójne nokauty SCD1 -/- /PPARα -/-. Poza tym zostały przeprowadzone badania in vitro, przy użyciu kardiomiocytów HL-1 oraz hodowli pierwotnych kardiomiocytów. Wykorzystując w/w modele doświadczalne określono rolę zaburzeń w lipogenezie, lipolizie i/lub utlenianiu kwasów tłuszczowych, w fizjologicznym oraz patologicznym przeroście lewej komory serca, ze szczególnym uwzględnieniem ekspresji genów oraz szlaków sygnałowych regulujących te procesy. Przeprowadzone badania wykazały, że kwas oleinowy powoduje zwiększenie wymiaru poprzecznego kardiomiocytów, spadek ich zdolności wczesnoskurczowej oraz przerost lewej komory mięśnia sercowego. Proces ten związany jest z aktywacją szlaku kinazy białkowej C izoformy α, zmianami w gospodarce wapniowej regulowanymi przez białko NCX oraz wzrostem zawartości łańcuchów ciężkich miozyny izoformy β w kardiomiocytach. Wywołane przez kwas oleinowy zmiany w metabolizmie i funkcji mięśnia sercowego związane były ze wzrostem ekspresji genów zaangażowanych w syntezę triacylogliceroli oraz zahamowaniem zależnej od ATGL lipolizy, czego efektem było stłuszczenie kardiomiocytów. Następnie wykazano, że zahamowanie ekspresji/aktywności SCD1 obniża zawartość lipidów w kardiomiocytach niezależnie od czynnika transkrypcyjnego PPARα poprzez redukcję lipogenezy oraz aktywację lipolizy. W obecnej pracy, po raz pierwszy pokazano także, że podwyższony poziom ekspresji SCD1, zwiększona lipogeneza oraz aktywacja szlaku oksydacyjnego regulowanego przez PPARα w mięśniu sercowym są związane z rozwojem fizjologicznego przerostu lewej komory serca i mogą być częścią mechanizmu biorącego udział w adaptacji serca do wysiłku fizycznego. Natomiast akumulacja triacylogliceroli związana z patologicznym przerostem lewej komory serca wywołanym przeciążeniem ciśnieniowym oraz wrodzonym nadciśnieniem tętniczym jest efektem obniżonej lipolizy w kardiomiocytach, a brak aktywacji lipogenezy może być jednym prz mechanizmów prowadzącym do rozwoju patologicznego przerostu lewej komory i, w konsekwencji, do dysfunkcji mięśnia sercowego towarzyszącej nadciśnieniu. Podsumowując, wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że zmiany w metabolizmie kwasów tłuszczowych i lipidów są zaangażowane w powstawanie zarówno patologicznego jak i fizjologicznego przerostu lewej komory serca. Natomiast, co istotne, jedynie przerost patologiczny związany jest z nadmierną akumulacją triacylogliceroli w kardiomiocytach. Wyniki te sugerują, że terapia celowana na wewnątrzkomórkowe szlaki regulujące metabolizm lipidów w kardiomiocytach mogłaby być wykorzystana w leczeniu zaburzeń pracy serca towarzyszących otyłości i nadciśnieniu. 2
Cardiovascular diseases are linked with such risk factors as inappropriate diet, lack of physical activity, obesity, hypertension or type 2 diabetes mellitus. The aforementioned factors provoke development of pathological left ventricular hypertrophy characterized by increased relative wall thickness, which, in longer perspective, leads to heart failure. Cardiac muscle might also grow eccentrically, with proportional wall thickness and chamber enlargement, which leads to increased cardiac function. This particular kind of adaptive remodeling is described as physiological and can be caused by e.g. intensive endurance training. Cardiac hypertrophy drives also changes in energy metabolism in cardiomyocytes. In physiological state, fatty acids (FA) cover up to 60% of heart's energy demand, whereas glucose covers the remaining 40%. In pathological conditions, such as obesity or diabetes, consumption of energy substrates in cardiac muscle shifts towards extensive glucose oxidation. It is suggested that this change results in development of cardiomyopathy and pathological remodeling of the left ventricle. Neither regulatory function of FA in cardiomyocytes nor the molecular mechanism involved in regulation of energy metabolism in cardiac muscle during development of left ventricular hypertrophy were described so far. Recent studies have shown that enzymes involved in FA metabolism in other tissues influence the activity of signaling pathways in the heart. The stearoyl-coa desaturase 1 (SCD1) which catalyzes synthesizes of monounsaturated fatty acids is among them. In addition, SCD1 regulates cardiac metabolism through altered expression of proteins involved in FA transport and synthesis. Another SCD1-mediated mechanism involves increased glucose utilization as main energy source with simultaneous decrease of peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) regulated β-oxidation pathway and diminished rate of FA consumption. It was also shown that SCD1 knockout in ob/ob mice leads to lower lipid accumulation in heart, decrease in cardiomyocyte apoptosis and improved systolic and diastolic function of left ventricle. Additionally, either SCD1 substrate (stearate) or product (oleate), are potent metabolites that alter cardiac structure and function. Therefore, the main goal of the presented PhD thesis was to establish the role of signaling pathways involved in FA metabolism, in development of pathological and physiological left ventricular hypertrophy. Additionally, the impact of long-chain FA metabolized by SCD1, including stearate and oleate, on metabolism, structure and function of cardiac muscle, as well as the possible relationship between SCD1 and PPARα in the regulation of cardiac lipid metabolism were carefully investigated. Studies were performed in vivo using the following research models: 1) rats fed with diets enriched in tristearin or triolein; 2) Spontaneously Hypertensive Rats (SHR); 3) rats with pressure overload-induced hypertrophy; 4) rats after endurance training; 5) SCD1 -/-, PPARα -/- and SCD1 -/- /PPARα -/- knockout mice. In vitro studies were additionally performed using HL-1 cells and primary cultures of cardiomyocytes. Given experimental models were used to describe the impairment of lipogenic, lipolityc and/or fatty acid oxidation processes on development of physiological and pathological left ventricular hypertrophy, with emphasis on gene expression and regulatory pathways involved in aforementioned processes. 3
Performed studies showed that oleate contributes to increased transverse dimension of cardiomyocytes, impairment of early-onset contractility, and development of left ventricular hypertrophy. These alterations are caused by activation of protein kinase C α-dependent pathway, NCX protein-regulated change in calcium homeostasis, and increased level of β-myosin heavy chain in cardiomyocytes. Oleate-mediated changes in cardiac metabolism and function were induced by increased expression of triacylglycerol synthesis proteins, and inhibition of ATGL-mediated lipolysis which both led to a cardiac steatosis. Next, it was shown that downregulation of SCD1 expression/activity decreases lipid accumulation in cardiomyocytes through inhibition of lipogenesis and activation of lipolysis, independently of the PPARα transcription factor. Moreover, it was demonstrated that increased SCD1 expression, upregulated lipogenesis and activation of PPARαdependent β-oxidation pathway in cardiac muscle are connected with development of physiological left ventricular hypertrophy, and may be one of the adaptive mechanisms to endurance training. On the other hand, triacylglycerols accumulation associated with pressure overload-induced, as well as spontaneous hypertension-induced pathological left ventricular hypertrophy is generated by impairment of lipolytic process. Furthermore, lack of lipogenesis activation may be one of the mechanisms leading to development of pathological left ventricular hypertrophy, and in consequence, may lead to cardiac dysfunction. In conclusion, the obtained results demonstrate that changes in lipid and fatty acid metabolism are involved in development of both, physiological and pathological hypertrophy. What is more, only pathological hypertrophy is connected with extensive triacylglycerols accumulation in cardiomyocytes. These results are in line with the notion that targeted therapy against intracellular pathways involved in regulation of lipid metabolism in cardiomyocytes might be useful in treating heart diseases which accompany obesity and hypertension. 4