Μεταβολικό σύνδρομο και υδρόθειο: παθοφυσιολογικοί μηχανισμοί και φαρμακολογικές προσεγγίσεις

Abstract

Metabolic syndrome (MetS) is a complex pathophysiological condition characterized by the co-existence of obesity, insulin resistance, hypertension, and dyslipidemia. These metabolic abnormalities increase the risk and severity of cardiovascular disease and diabetes mellitus. Hydrogen sulfide (H2S) is an endogenously produced signaling molecule, involved in several pathways. It plays a crucial role in cardiovascular homeostasis and its deficiency due to an imbalance between H2S synthesis or / and degradation is commonly observed in obesity and cardiovascular disease. Herein, we determine the role of H2S as a possible link between MetS and the cardiovascular system pathophysiology in a mouse model of the disease. We focused on 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (MPST), a cysteine-catabolizing enzyme that yields pyruvate and H2S and plays a central role in the regulation of energy homeostasis. For this purpose, C57BL6/J male mice were fed a high fat diet (HFD; 45% of calories from fat) for 15 weeks to induce obesity and hyperglycemia, and also received a nitric oxide synthase inhibitor, (L-NAME, 0.5g/L in drinking water), during the last 5 weeks to induce hypertension. The combination of HFD and drug-induced hypertension leads to MetS that subsequently caused a mild left ventricular (LV) diastolic dysfunction, cardiac fibrosis and vascular endothelial dysfunction. Free H2S and sulfane sulfur levels were reduced in the aorta of mice with MetS, but not the heart. Also, from the enzymes tested in MetS, MPST and thiosulfate sulfurtransferase (TST) were reduced in the aorta, while a similar effect was observed in the subcutaneous white adipose tissue of mice with MetS. Furthermore, global MPST deletion worsens the MetS phenotype induced by HFD+LNAME, resulting in increased body weight and greater glucose intolerance, but similar degree of blood pressure elevation compared to WT mice. Mpst-/- in MetS were also characterized by deterioration of cardiac health as evidenced by increased cardiac fibrosis and reduced exercise performance, but without any aggravation in the echocardiography parameters tested. Most importantly MPST ablation caused an upregulation of genes involved in immune responses in the aorta. Comparison of the total transcriptome, as investigated after RNA sequencing, suggested infiltration of the vascular wall with leukocytes and activation of pro-inflammatory T-cells in the vessels of Mpst-/- mice with MetS. Finally, pharmacological restoration of H2S levels using two different experimental drugs ameliorates the MetS comorbidities. The administration of SG1002 ameliorates obesity and glucose metabolism, while GYY4137 shows additional antihypertensive effects. GYY4137 managed to reverse all the MetS comorbidities and protect against some of its cardiovascular consequences. GYY4137 administration in MetS reduces cardiac fibrosis, improves the endothelium-dependent relaxation and affects the expression of some inflammation markers in the aorta of Mpst-/- with MetS. The above data provide evidence that MetS causes changes in some enzymes responsible for H2S production and degradation in the aorta, resulting in reduction of H2S endogenous levels. Inactivation of the Mpst gene affects MetS parameters and results in vascular inflammation and deterioration of cardiac function. H2S supplementation emerges as a potential therapeutic approach to treat the metabolic and cardiovascular abnormalities associated with MetS.

Το μεταβολικό σύνδρομο (ΜΣ) είναι μια σύνθετη παθοφυσιολογική κατάσταση που χαρακτηρίζεται από την συνύπαρξη παχυσαρκίας, αντοχής στην ινσουλίνη, υπέρτασης και δυσλιπιδαιμίας. Αυτές οι μεταβολικές διαταραχές αποτελούν ένα συνδυασμό παραγόντων κινδύνου για καρδιαγγειακές παθήσεις και σακχαρώδη διαβήτη τύπου ΙΙ. Το υδρόθειο (H2S) είναι ένας αέριος διαβιβαστής που εμπλέκεται σε πολλαπλά σηματοδοτικά μονοπάτια. Διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην διατήρηση της καρδιαγγειακής ομοιόστασης, ενώ έχει αποδειχθεί ότι τα ενδογενή επίπεδα του μειώνονται σε παθολογικές καταστάσεις, όπως η παχυσαρκία και πολλές καρδιακές παθήσεις. Στην παρούσα εργασία προσδιορίστηκε ο ρόλος του H2S σε ένα προ-κλινικό μοντέλο ΜΣ, και μελετήθηκε ως πιθανός σύνδεσμος ανάμεσα στην εξέλιξη των μεταβολικών διαταραχών και την επαγωγή παθοφυσιολογικών μηχανισμών στο καρδιαγγειακό σύστημα. Η πειραματική προσέγγιση του θέματος εστιάστηκε στην σουλφοτρανσφεράση του 3-μερκαπτοπυρροσταφυλικού (MPST), ενός ενζύμου του καταβολισμού της κυστεΐνης που παράγει πυροσταφυλικό οξύ και H2S και παίζει κεντρικό ρόλο στη ρύθμιση της ενεργειακής ομοιόστασης. Για τον σκοπό αυτό σε αρσενικούς μύες C57BL6/J εφαρμόστηκε ειδική υπερλιπιδαιμική διατροφή (45% των θερμίδων προερχόμενες από λίπος) για 15 εβδομάδες για να αναπτυχθεί παχυσαρκία και υπεργλυκαιμία, και χορηγήθηκε ένας φαρμακολογικός αναστολέας της ενδοθηλιακής συνθετάσης του μονοξείδιου του αζώτου (L-NAME, 0.5g/L στο πόσιμο νερό), κατά την διάρκεια των τελευταίων 5 εβδομάδων για την πρόκληση υπέρτασης. Η συγχορήγηση HFD και L-NAME οδήγησε σε ένα χαρακτηριστικό φαινότυπο ΜΣ και προκάλεσε ήπια διαστολική δυσλειτουργία της αριστερής κοιλίας της καρδιάς, καρδιακή ίνωση και αγγειακή ενδοθηλιακή δυσλειτουργία. Τα επίπεδα του ελεύθερου H2S και των δεσμευμένων χημικών ενώσεων του θείου εντοπίστηκαν μειωμένα σε αορτές μυών με ΜΣ, αλλά όχι στην καρδιά. Το φαινόμενο συσχετίστηκε με μειωμένη πρωτεϊνική έκφραση των ενζύμων MPST και της τρανσφεράσης των θειοθειικών (TST) στην αορτή, ενώ παρόμοια επίδραση εντοπίστηκε στον λευκό λιπώδη ιστό. Επιπρόσθετα, η ολική απαλοιφή του ενζύμου MPST προκαλεί επιδείνωση του μεταβολικού φαινοτύπου στο μοντέλο HFD+L-NAME που εφαρμόστηκε, οδηγώντας σε αύξηση του σωματικού βάρους και εντονότερη αντοχή στην γλυκόζη, αλλά χωρίς σημαντική επίδραση στην πίεση του αίματος. Οι μύες Mpst-/- με ΜΣ χαρακτηρίζονται επίσης από επιδείνωση της καρδιακής υγείας, όπως αποδεικνύεται από την αυξημένη καρδιακή ίνωση και την μειωμένη απόδοση στην σωματική άσκηση, αλλά χωρίς να εντοπίζεται σημαντική επιδείνωση στις ηχοκαρδιογραφικές παραμέτρους που εξετάστηκαν. Όμως, η πιο σημαντική μεταβολή παρατηρείται στην αορτή. Η απαλοιφή του MPST στο ΜΣ προκάλεσε αυξημένη έκφραση ορισμένων γονιδίων που εμπλέκονται σε ανοσολογικές αποκρίσεις στο αγγειακό σύστημα. Η σύγκριση του ολικού μεταγραφώματος, όπως διερευνήθηκε μετά από αλληλούχιση του mRNA, υποδηλώνει διήθηση του αγγειακού τοιχώματος με λευκοκύτταρα και ενεργοποίηση των προ-φλεγμονωδών Τ-κυττάρων στα αγγεία των Mpst-/- μυών με ΜΣ. Τέλος, η φαρμακολογική αποκατάσταση των επιπέδων του H2S χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά πειραματικά φάρμακα βελτίωσε τις συνοσηρότητες του ΜΣ. Η χορήγηση του δότη SG1002 βελτιώνει την παχυσαρκία και το μεταβολισμό της γλυκόζης, ενώ επιπρόσθετα το GYY4137 εμφανίζει αντιυπερτασικά αποτελέσματα. Το GYY4137 κατόρθωσε να αναστρέψει όλες τις συνοσηρότητες του ΜΣ και να προστατεύσει από ορισμένες καρδιαγγειακές συνέπειές του. Συγκεκριμένα, ο δότης μειώνει την καρδιακή ίνωση, βελτιώνει την εξαρτώμενη από το ενδοθήλιο χαλάρωση των αορτικών δακτυλίων και επηρεάζει την έκφραση ορισμένων δεικτών φλεγμονής στις αορτές των Mpst-/- με ΜΣ. Το σύνολο των παραπάνω δεδομένων επιβεβαιώνει ότι το ΜΣ προκαλεί αλλαγές σε ένζυμα που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή και την αποικοδόμηση του H2S στην αορτή, με αποτέλεσμα τη μείωση των ενδογενών επιπέδων του. Η απαλοιφή του γονιδίου Mpst επηρεάζει τις παραμέτρους του ΜΣ και έχει ως αποτέλεσμα την επαγωγή αγγειακής φλεγμονής και την επιδείνωση της καρδιακής λειτουργίας. Η φαρμακολογική αποκατάσταση των επιπέδων H2S αναδεικνύεται ως μια πιθανή θεραπευτική προσέγγιση για τη αντιμετώπιση των μεταβολικών και καρδιακών παθήσεων που σχετίζονται με το ΜΣ.