Search

Η απουσία της μυοειδικής πρωτεΐνης ενδιάμεσων ινιδίων δεσμίνης οδηγεί σε διατατική μυοκαρδιοπάθεια, η οποία χαρακτηρίζεται από μιτοχονδριακές διαταραχές και κυτταρικό θάνατο καθώς και από εκτεταμένη ίνωση και ασβεστίωση του μυοκαρδίου. Προκειμένου να διασαφηνιστεί ο μηχανισμός που οδηγεί στο φαινότυπο απουσίας δεσμίνης, πραγματοποιήθηκε πρωτεωμική ανάλυση μιτοχονδρίων από το φυσιολογικό μυοκάρδιο και από το μυοκάρδιο απουσίας δεσμίνης. Σημαντικές διαφορές εντοπίστηκαν σε πρωτεΐνες που σχετίζονται με το μεταβολισμό ακετικού οξέος και κετονοσωμάτων, στο μεταφορέα μαλικού-ασπαρτικού, στο σύμπλοκο PDH, στον μεταβολισμό αμινοξέων, στην αναπνοή και στη μεταφορά ενέργειας. Αναζητήθηκε να ελεγχθεί αν οι μιτοχονδριακές διαταραχές και συνεπώς η μυοκαρδιοπάθεια απουσίας δεσμίνης μπορεί να βελτιωθεί από την υπερέκφραση των μικρών θερμεπαγόμενων πρωτεϊνών, αΒ-κρυσταλλίνης και HSP25. Πραγματοποιήθηκε υπερέκφραση των μικρών θερμεπαγόμενων πρωτεϊνών αΒ- κρυσταλλίνης και HSP25 ανεξάρτητα στο μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη υπό τον έλεγχο του υποκινητή της α βαριάς αλυσίδας της μυοσίνης (αMHC). Η υπερέκφραση τόσο της αΒ-κρυσταλλίνης, όσο και της HSP25 είχε ως αποτέλεσμα την υψηλού βαθμού βελτίωση της μορφολογίας του μυοκαρδίου, όπως προκύπτει από τη μείωση της ίνωσης και της ασβεστίωσης και την αναίρεση των διαταραχών υπερδομής, όπως η διόγκωση και η βλάβη των μιτοχονδρίων καθώς και η άτακτη διευθέτηση και καταστροφή των μυοϊνιδίων. Η καρδιακή λειτoυργία θεραπεύθηκε σε σημαντικό βαθμό στην περίπτωση της HSP25 και σε μεγαλύτερο βαθμό στην περίπτωση της αΒ- κρυσταλλίνης, όπως προκύπτει από τη βελτίωση της συστολικής λειτουργίας, την αύξηση του πάχους του οπίσθιου τοιχώματος της αριστερής κοιλίας και τη μείωση της καταπόνησης που αυτό υφίσταται. Επίσης, στην περίπτωση της αΒ- κρυσταλλίνης, τα πρότυπα παρουσιάζουν 100% βιωσιμότητα σε πρωτόκολλο υποχρεωτικής άσκησης υπό μορφής κολύμβησης διάρκειας 24 ημερών, ενώ στις ίδιες συνθήκες τα πρότυπα χωρίς δεσμίνη εμφανίζουν 50% βιωσιμότητα. Παράλληλα, η υπερέκφραση αΒ-κρυσταλλίνης προσδίδει σημαντική προστασία έναντι των ελεύθερων ριζών οξυγόνου και αζώτου, όπως προκύπτει από πειράματα καλλιεργειών ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων με σήμανση με τον ιχνηθέτη CM-H2DCFDA. Το ίδιο xi συμπέρασμα προκύπτει από τη μείωση του μιτοχονδριακού ανιόντος υπεροξειδίου μετά από σήμανση με MitoSox Red. Ομοίως, η υπερέκφραση της αΒ-κρυσταλλίνης προστατεύει τα κύτταρα από την επίδραση οξειδωτικών ερεθισμάτων, όπως η επίδραση H202 επί της καλλιέργειας, όπως αποδεικνύεται από τη σήμανση με τον ιχνηθέτη CM-H2DCFDA. Παράλληλα, η αΒ-κρυσταλλίνη προσδίδει προστασία έναντι της αύξησης της διαβατότητας του μιτοχονδριακού πόρου μεταβατικής διαβατότητας (MPTP) και της πτώσης του μιτοχονδριακού δυναμικού (Δψ), όπως προκύπτει από τη σήμανση ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων με τον ποτενσιομετρικό ιχνηθέτη TMRM. Τόσο η αΒ-κρυσταλλίνη όσο και η HSP25 ενδέχεται να προστατεύουν το μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη μέσω της δράσης τους ως μοριακών συνοδών, προσδίδοντας αντιοξειδωτική προστασία μέσω αύξησης των επιπέδων γλουταθειόνης και δρώντας ως πλειοτροπικά αποπτωτικά μόρια The absence of the muscle-specific intermediate protein desmin leads to dilated cardiomyopathy, which is characterized by mitochondrial defects and significant cell death, as well as extensive fibrosis and calcification. In an attempt to elucidate the mechanism leading to the desmin deficient phenotype, we performed a proteomics analysis of mitochondria isolated from wild type and desmin null myocardium. Significant differences were found in acetate and ketone metabolism, in malate-aspartate shuttle, PDH complex, aminoacid metabolism, as well as respiration and energy shuttling. We sought to investigate whether the mitochondrial abnormalities and consequently the desmin null cardiomyopathy could be improved by the overexpression of the small heat shock proteins aB-crystallin and HSP25. We overexpressed the two proteins independently in the desmin deficient myocardium under the control of the αΜΗC promoter. The overexpression of the two proteins resulted in significant improvement of myocardial morphology, as demonstrated by the reduction of fibrosis and calcification and the correction of ultrastructural defects, such as mitochondrial swelling and destruction and irregular positioning and deterioration of myofibrils. Cardiac function was ameliorated to a significant degree by HSP25 overexpression and to even higher extent by aBcrystallin overexpression, as proven by the improvement of systolic function, the increase in posterior wall thickness and the reduction of r/h, an indicator of LV wall stress. In addition, in the case of αΒ-crystallin overexpression, desmin null mice demonstrate a rate of 100% survival in an obligatory exercice swimming protocol, while under the same conditions, only 50% of desmin null mice survive. Also, αΒ-crystallin overexpression provides significant protection against reactive oxygen and nitrogen species, and more specifically against mitochondrial superoxide ion, as proven by tissue culture experiments with adult cardiomyocytes and CM-H2DCFDA and MitoSox Red staining. Similarly, αΒ-crystallin overexpression protects desmin null cardiomyocytes from oxidative insults, such as hydrogen peroxide, as demonstrated by CMH2DCFDA staining. Moreover, αΒ-crystallin protects against the permeability increase of MPTP and the decrease of mitochondrial potential (Δψ), as demonstrated by staining of adult cardiomyocytes with TMRM. αΒ-crystallin and HSP25 may protect the desmin null myocardium by acting as molecular chaperons, by providing antioxidant protection through their capacity to increase glutathione levels and by acting as pleiotropic anti-apoptotic molecules.

Πρόσφατες μελέτες παρέχουν ενδείξεις για τη συμμετοχή του οξειδωτικού στρες στην ανάπτυξη καρδιαγγειακών νοσημάτων. Το οξειδωτικό στρες έχει συσχετιστεί ισχυρά με τον κυτταρικό θάνατο και διαδικασίες καρδιακής αναδόμησης, που αποτελούν χαρακτηριστικά της καρδιακής ανεπάρκειας. Μύες χωρίς δεσμίνη, σημαντική πρωτεΐνη των μυϊκών ενδιαμέσων ινιδίων, αναπτύσσουν διατατική μυοκαρδιοπάθεια και καρδιακή ανεπάρκεια, η οποία χαρακτηρίζεται από μιτοχονδριακές ανωμαλίες και κυτταρικό θάνατο μαζί με εκτεταμένες εναποθέσεις ασβεστίου και ίνωση, προσφέροντας έτσι ένα πολύ καλό μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας.Διάφορες κυτταρικές και βιοχημικές αλλοιώσεις στην καρδιά των μυών αυτών υποδηλώνουν έντονα ότι το οξειδωτικό στρες είναι ένας σημαντικός μηχανισμός που συμβάλλει στην παθογένεση αυτού του φαινότυπου. Οι ανωμαλίες στη μιτοχονδριακή δομή και λειτουργία, οι οποίες χαρακτηρίζουν το φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη, προσφέρουν τις πιο σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη οξειδωτικού στρες, καθώς η αναπνευστική αλυσίδα είναι η πιο σημαντική πηγή δραστικών Ενώσεων Οξυγόνου (ΔΕΟ ή Reactive Oxygen Species - ROS) στα μυοκαρδιοκύτταρα. Προκειμένου να διασαφηνιστεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης και συνεπώς η συμμετοχή του στην εξέλιξη του μυοεκφυλισμού, επιχειρήθηκαν τόσο in vitro, όσο και in vivo προσεγγίσεις. Η ύπαρξη οξειδωτικής καταπόνησης διερευνήθηκε σε πρωτογενείς καλλιέργειες ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων. Επιχειρήθηκε η ενίσχυση του αντιοξειδωτικού αμυντικού συστήματος, έτσι ώστε να αποτιμηθεί, τόσο η συμβολή του οξειδωτικού στρες στο μυοεκφυλισμό, όσο και η πιθανή θεραπευτική δράση των αντιοξειδωτικών στρατηγικών. Προκειμένου να αποτιμηθούν τα επίπεδα ενδοκυτταρικής οξειδωτικής καταπόνησης αναπτύχθηκε νέα μέθοδος απομόνωσης ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων από μυ. Επειδή τα μιτοχόνδρια αποτελούν το κύριο στόχο των παρατηρούμενων αλλοιώσεων, επιχειρήθηκε πρώτα ο προσδιορισμός των γενικών αλλαγών που παρατηρούνται στο μιτοχονδριακό πρωτέωμα. Πράγματι, οι παρατηρούμενες αλλαγές στα επίπεδα πρωτεϊνικής έκφρασης ενίσχυσαν την αρχική υπόθεση. Στη συνέχεια εκτιμήθηκαν τα ενδοκυτταρικά επίπεδα ROS σε καλλιέργειες ενήλικων 8 μυοκαρδιοκυττάρων χρησιμοποιώντας φθορίζοντες ιχνηθέτες. Ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι υπάρχουν αυξημένα επίπεδα ROS στα μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, διερευνήθηκε το μιτοχονδριακό μεμβρανικό δυναμικό, το οποίο είναι ενδεικτικό της σωστής μιτοχονδριακής λειτουργίας, χρησιμοποιώντας ειδικό φθορίζοντα ιχνηθέτη. Διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν σημαντικές αλλοιώσεις σε αρκετά μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Με σκοπό (1) να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες in vivo, (2) να αποτιμηθεί η συμβολή του στο φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη και (3) να εκτιμηθεί η θεραπευτική δυνατότητα της προστασίας έναντί του, το αντιοξειδωτικό αμυντικό σύστημα ενισχύθηκε in vivo, χρησιμοποιώντας το μυ χωρίς δεσμίνη ως μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν διαγονιδιακοί μύες που υπερεκφράζουν στο μυοκάρδιο τα αντιοξειδωτικά ένζυμα καταλάση και υπεροξειδική δυσμουτάση (MnSOD). Η καταλάση αποτοξινώνει τα κύτταρα από το H2O2 μετατρέποντας το σε νερό και οξυγόνο. Η μυοκαρδιακή υπερέκφραση καταλάσης μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Το επίπεδο υπερέκφρασης αποτιμήθηκε σε επίπεδο τόσο πρωτεϊνικό, όσο και ενζυμικής ενεργότητας. Ο καρδιοπροστατευτικός ρόλος της καταλάσης αποτιμήθηκε ως συνιστώσα των επιπέδων ινωδών αλλοιώσεων, της υπερδομής και της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υπερέκφραση καταλάσης στο μυοκάρδιο μυών χωρίς δεσμίνη οδηγεί σε σημαντική μείωση των ενδοκυτταρικών επιπέδων ROS και της έκτασης ινωδών αλλοιώσεων, μειώνει το μυοεκφυλισμό και βελτιώνει την καρδιακή συστολική λειτουργία. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τη συμβολή του οξειδωτικού στρες και ειδικά του H2O2 στην ανάπτυξη μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας στο μυ χωρίς δεσμίνη και υπογραμμίζουν τη θεραπευτική δυνατότητα της υπερέκφρασης καταλάσης. Η MnSOD εντοπίζεται στη μιτοχονδριακή μήτρα και μετατρέπει το υπεροξειδικό ανιόν σε υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η καρδιακή υπερέκφραση MnSOD μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Υπερέκφραση της MnSOD μόνο σε ενδιάμεσα επίπεδα οδηγεί σε μείωση των επιπέδων του υπεροξειδικού ανιόντος και των ινωδών αλλοιώσεων στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε βελτίωση της μυοκαρδιακής υπερδομής, καθώς και μέτρια βελτίωση της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υποβολή μυών χωρίς δεσμίνη που υπερεκφράζουν MnSOD σε υποχρεωτική άσκηση είχε ως αποτέλεσμα το θάνατο. Αυτή η κατάληξη δεν παρατηρήθηκε όταν στο μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη 9 υπερεκφράζονταν τόσο η καταλάση, όσο και η MnSOD. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το H2O2 είναι σημαντικός διαμεσολαβητής της παρατηρούμενης θνησιμότητας. Είναι ενδιαφέρον ότι η MnSOD έχει «μεικτή» συμβολή στην αποτοξίνωση από ΕΜΟ, καθώς διασπά μία δραστική ένωση δημιουργώντας ταυτόχρονα μία άλλη. Είναι συνεπώς πολύ σημαντικό η υπερέκφραση αυτού του αντιοξειδωτικού ενζύμου να πραγματοποιείται με επίγνωση των επιβλαβών συνέπειών του. Συνολικά, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ επιβεβαιώνουν τη συμβολή της οξειδωτικής καταπόνησης στην ανάπτυξη κληρονομικής μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας, καθώς και τη θεραπευτική ικανότητα των διαφορετικών αντιοξειδωτικών στρατηγικών και του συνδυασμού τους. Recent studies support the contribution of oxidative stress in the development of cardiovascular diseases. Oxidative stress has been strongly linked to cell death and cardiac remodeling processes, all hallmarks of heart failure. Mice null for desmin, which is the major muscle specific intermediate filament protein, develop dilated cardiomyopathy and heart failure characterized by mitochondrial defects and cardiomyocyte death accompanied by extensive calcification and fibrosis, thus providing a very good model for heart failure. Several cellular and biochemical alterations in the hearts of these mice strongly suggested that oxidative stress is one of the mechanisms contributing to the pathogenesis of the phenotype. The defects in mitochondrial structure and function, hallmarks of the desmin null mouse phenotype, provide the most important indications for the existence of oxidative stress, as the respiratory chain is the most important source of reactive oxygen species (ROS) in cardiomyocytes. In order to delineate the existence of oxidative stress in the desmin null myocardium and therefore its participation in the development of the myocardial degeneration we sought both in vitro and in vivo approaches. The existence of oxidative stress was addressed in primary adult cardiomyocytes. The reinforcement of the antioxidant defense system was pursued, in order to assess the contribution of oxidative stress in the myocardial degeneration, as well as the therapeutic potential of antioxidant strategies. To assess intracellular oxidative stress a new method for the isolation of adult mouse cardiomyocytes was developed. Since mitochondria were the target of pathology, we wanted to first determine global changes in the mitochondrial proteome. The observed changes in protein levels reinforced the original hypothesis. Intracellular reactive oxygen species were measured using fluorescent probes in adult cardiomyocyte cultures. Analysis of the above data showed that there are increased levels of ROS in desmin null cardiomyocytes. Furthermore, the mitochondrial membrane potential, which is indicative of proper mitochondrial function, was investigated using a fluorescent probe. It was found altered in a subset of the desmin null cardiomyocytes. In order to (1) verify the existence of oxidative stress in vivo, (2) assess its contribution to the phenotype of desmin null mice and (3) evaluate the therapeutic 5 potential of protecting against it, the antioxidant defense system was fortified in vivo using the desmin null mouse as a heart failure model. Towards this goal transgenic mice overexpressing the antioxidant genes catalase and manganese superoxide dismutase (MnSOD) were created. Catalase detoxifies the cells from hydrogen peroxide by converting it to water and oxygen. Cardiac specific overexpression of catalase was brought to a desmin null background. The level of overexpression was assessed by measuring protein levels and enzyme activity. The cardioprotective effect of catalase was assessed in terms of fibrotic lesion extent, ultrastructure and cardiac systolic function. Overexpression of catalase in the heart of desmin null mice leads to marked decrease in intracellular ROS levels and significant decrease in fibrotic areas, ameliorates the myocardial degeneration and improves cardiac function. These data support the contribution of oxidative stress and in particular of the ROS hydrogen peroxide in the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and underscore the therapeutic potential of catalase overexpression. MnSOD in localized in the mitochondrial matrix and converts superoxide anion to hydrogen peroxide. Cardiac specific overexpression of MnSOD was studied in a desmin null background. Overexpression of MnSOD only at moderate levels leads to a significant reduction of fibrotic lesion in the desmin null myocardium. Furthermore, an improvement of the myocardial ultrastructure was observed, as well as a moderate improvement of cardiac systolic function. These data suggest that another ROS, superoxide anion, contributes to the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and that MnSOD, when overexpressed at moderate levels, offers cardioprotective effect. When the mice overexpressing MnSOD in the desmin null myocardium were challenged to exercise an absolute reduction of survival was observed. This defect was completely reversed when desmin null mice overexpressed both MnSOD and catalase. This suggests that hydrogen peroxide is an important mediator of the observed lethality. It is of note that MnSOD retains a contradictory antioxidant role, both breaking down and creating a specific ROS. It is therefore of paramount importance that this antioxidant enzyme is employed with caution and awareness of its deleterious effects. Overall, the data presented here demonstrate the contribution of oxidative stress in the development of inherited cardiomyopathy and heart failure, as well as the therapeutic potential of different antioxidant strategies, and their combination.