Ρύθμιση του πυρηνικού υποδοχέα PPARa στην καρδιά σε καταστάσεις μεταβολικού στρες και μετά από επίδραση στατίνης

Abstract

Heart failure remains one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide and is characterized by molecular, cellular and pathophysiological changes in the myocardium. Some of the observed changes refer to lipid and energy homeostasis, which are traits of many cardiovascular diseases. Key transcription regulators of energy metabolism and lipid homeostasis are the peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). Recent clinical studies have shown a significant benefit in the primary prevention and treatment of cardiovascular diseases though the use of lipid-lowering treatment, and mainly through the use of statins. In addition to their hypolipidemic actions, statins display multiple pleiotropic actions, some of which are mediated though PPARs. The aim of this thesis is firstly to investigate the role and regulation of transcription factor PPARα during metabolic stress in the heart and secondly to clarify the underlying molecular mechanisms of PPARα activation by statins. To this purpose, in the first experimental part, the role of PPARα is investigated in the setting of ischemia/reperfusion and diabetes mellitus mediated metabolic stress. Results have shown that under elevated circulating fatty acids, b-oxidation is augmented via PPARα activation. During ischemia/reperfusion in the normal myocardium, the metabolic requirements of the heart are covered mainly by glucose utilization and therefore PPARα expression is downregulated. On the contrary, during ischemia/reperfusion in the diabetic myocardium elevated levels of PPARα seem to maintain fatty acid utilization as energy source at a high level, contributing to resistance against ischemia. However, when a diet rich in cholesterol is applied simultaneously to diabetes, increased susceptibility to ischemic injury is observed. These results indicate that PPARα upregulation might be involved in the mechanisms activated in the diabetic myocardium during the acute phase of the disease to counteract metabolic disorders. Loss of cardioprotection might be potentially related to concomitant disease (hypercholesterolemia) and down-regulation of PPARα. Ιn the second experimental part statin effect and underlying molecular mechanisms leading to activation of PPARα were evaluated. According to the results, in vivo administration of statin results in upregulation and enhanced transcriptional activity of PPARα, that are maintained even following ischemia/reperfusion of the heart. Moreover, statins induce phosphorylation of the ligand-independent part of PPARα receptor at serines 12 and 21 and activate transcriptional activity in isolated cardiomyocytes within 24 hours of statin treatment. Our results have shown that phosphorylation and subsequent activation of PPARα is mediated though ERK1/2 kinases, while the role of phosphorylation by p38 ΜAPK is unclear. Therefore and since during the past few years research has focused on cellular metabolism that seems to play an important role in the pathogenesis of various diseases, a better understanding of the mechanism of PPAR regulation may contribute in the development of pharmaceutical substances for the treatment of cardiovascular diseases.

Η καρδιακή ανεπάρκεια αποτελεί μία από τις κυριότερες αιτίες νοσηρότητας και θνησιμότητας παγκοσμίως και χαρακτηρίζεται από μοριακές, κυτταρικές και παθοφυσιολογικές μεταβολές στο μυοκάρδιο. Μεταξύ αυτών, παρατηρούνται διαταραχές στην ομοιόσταση των λιπιδίων και της ενέργειας οι οποίες αποτελούν χαρακτηριστικό και πολλών άλλων καρδιαγγειακών νοσημάτων. Βασικοί μεταγραφικοί ρυθμιστές του ενεργειακού μεταβολισμού και της λιπιδικής ομοιόστασης είναι οι πυρηνικοί υποδοχείς που ενεργοποιούνται από τους πολλαπλασιαστές των υπεροξειδιοσωμάτων (PPARs). Πρόσφατες εργασίες έχουν δείξει σημαντικό όφελος στην πρωτογενή πρόληψη και αντιμετώπιση των καρδιαγγειακών νοσημάτων από την χρήση υπολιπιδαιμικής αγωγής και κυρίως από τη χρήση στατινών. Εκτός από την υπολιπιδαιμική τους δράση, οι στατίνες έχουν και ποικίλες πλειοτροπικές δράσεις, κάποιες από τις οποίες διαμεσολαβούνται από τους PPARs. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν αφενός η διερεύνηση του ρόλου και της ρύθμισης του μεταγραφικού παράγοντα PPARα σε συνθήκες μεταβολικού στρες στην καρδιά και αφετέρου η αποσαφήνιση του μοριακού μηχανισμού δράσης των στατινών στην ενεργοποίηση του υποδοχέα. Για τον λόγο αυτό, στο πρώτο πειραματικό μέρος διερευνήθηκε ο ρόλος του PPARα στο επαγόμενο από ισχαιμία/επαναιμάτωση και από σακχαρώδη διαβήτη και υπερχοληστερολαιμία μεταβολικό στρες στην καρδιά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε συνθήκες αυξημένων κυκλοφορούντων λιπαρών οξέων, ενισχύεται η β-οξείδωση μέσω της ενεργοποίησης του PPARα. Κατά την ισχαιμία/επαναιμάτωση στο φυσιολογικό μυοκάρδιο, οι μεταβολικές απαιτήσεις της καρδιάς φαίνεται ότι καλύπτονται κυρίως από την αξιοποίηση της γλυκόζης και κατά συνέπεια μειώνεται η έκφραση του PPARα. Αντίθετα, στην ισχαιμία/επαναιμάτωση του διαβητικού μυοκαρδίου τα αυξημένα επίπεδα του PPARα φαίνεται να διατηρούν την αξιοποίηση των λιπαρών οξέων ως πηγή ενέργειας σε υψηλά επίπεδα, συμβάλλοντας στην αντίσταση στην ισχαιμία. Ωστόσο, παρατηρείται αυξημένη ευαισθησία του μυοκαρδίου όταν παράλληλα με τον σακχαρώδη διαβήτη συνυπάρχει μια διατροφή πλούσια σε χοληστερόλη. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η ενεργοποίηση του PPARα μπορεί να συμμετέχει στους προσαρμοστικούς καρδιοπροστατευτικούς μηχανισμούς του διαβητικού μυοκαρδίου ως αντιρροπιστικός μηχανισμός στις μεταβολικές διαταραχές. Η απώλεια της καρδιοπροστασίας όταν υπάρχει συν-νοσηρότητα (υπερχοληστερολαιμία) συνδέεται με μείωση της έκφρασης του PPARα. Στο δεύτερο πειραματικό μέρος της διατριβής, διερευνήθηκε η επίδραση των στατινών στην ρύθμιση του PPARα και οι υποκείμενοι μοριακοί μηχανισμοί που οδηγούν στην ενεργοποίηση του. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η in vivo χορήγηση στατίνης οδηγεί σε επαγωγή και μεταγραφική ενεργοποίηση του PPARα στην καρδιά, η οποία διατηρείται και μετά από ισχαιμία/επαναιμάτωση της καρδιάς. Επιπλέον, οι στατίνες επάγουν την φωσφορυλίωση της ανεξάρτητης από τον προσδέτη περιοχής του PPARα στις σερίνες 12 και 21 και ενεργοποιούν τη μεταγραφική του δραστηριότητα σε απομονωμένα καρδιομυοκύτταρα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι, η φωσφορυλίωση και επακόλουθη ενεργοποίηση του υποδοχέα διαμεσολαβείται από το σηματοδοτικό μονοπάτι των ERK1/2 κινασών ενώ ο ρόλος της φωσφορυλίωσης που διαμεσολαβείται από την p38 ΜAPΚ είναι ασαφής. Συνεπώς, καθώς τα τελευταία χρόνια η ρύθμιση του κυτταρικού μεταβολισμού αποτελεί πεδίο εντατικής έρευνας και φαίνεται να διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην παθογένεση διαφόρων ασθενειών, η καλύτερη κατανόηση της ρύθμισης των PPARs μπορεί να συνεισφέρει στην ανάπτυξη φαρμακολογικών παραγόντων για την αντιμετώπιση των καρδιακών παθήσεων.