Abstract The increase of cardiac hemodynamic load that requires increased mechanical performance drives adaptation of the heart to maintain cardiac function. Modification of protein synthesis in cardiomyocytes allows the cells to adapt to the increased load. Cardiomyocyte hypertrophy and activation of cardiac fibroblasts over the long term is maladaptive and leads to heart failure (HF). Members of the transforming growth factor-β (TGF-β) superfamily contribute to the remodeling process. TGF-β1 acts as a paracrine messenger between cardiomyocytes and cardiac fibroblasts. Connective tissue growth factor (CTGF) modulates TGF-β signaling and plays a role in the development of fibrosis. In the current study, we aimed to investigate whether blocking the actions of CTGF could alleviate ischemic injury and reduce cardiac remodeling. We determined whether blocking the action of these ligands would modulate cardiac hypertrophy and fibrosis. In the first study, we found that antagonizing the function of CTGF protected from transverse aortic constriction (TAC) -induced left ventricular remodeling. In the second study in myocardial infarction (MI) model, blocking the function of CTGF resulted in improved post-MI survival and this prevented to the decrease in left ventricular contractile function as compared to the situation in control mice. Treatment with CTGF mAb attenuated the development of dilated cardiomyopathy and limited the increase in cardiomyocyte size and deposition of interstitial fibrosis in a remote area. In the third study, targeting the TGF-β superfamily members myostatin and activins, by administration of a soluble decoy receptor of activin receptor 2B (ACVR2B-Fc) did not affect the extent of MI injury or cardiac remodeling in MI -induced ischemic HF. Understanding the complex and converging pathways regulating cardiac remodeling is a major challenge, but it may allow for opportunities to develop new therapies, new medicines and provide new hope for people with these life-threatening diseases. / Tiivistelmä Sydämen lisääntynyt kuormitus vaatii lisääntynyttä supistusvoimaa, joka johtaa sydänlihaksen adaptaatioon pumppaustehon ylläpitämiseksi. Alkuvaiheessa sydämen liikakasvu on hyödyllistä, mutta pidempään jatkuessaan se johtaa lopulta pumppaustoiminnan heikkenemiseen ja sydämen vajaatoimintaan. Useiden signalointimekanismien on osoitettu säätelevän sydänlihaksen adaptoitumista patologisille tiloille. Transformoiva kasvutekijä –β (TGF-β) proteiiniperhe säätelee sydämen adaptoitumista sekä vasemman kammion seinämän myötäävyyttä venytykselle. TGF-β1 indusoi supistuskykyisten myofibroblastien muodostumista sekä kollageenin tuotantoa. Runsas kollageenin tuotanto vahvistaa sydämen seinämää ja on tarpeen sydäninfarktivaurion korjaamisessa, mutta pitkään jatkuessaan se heikentää sydämen toimintaa ja altistaa rytmihäiriöille, sydämen vajaatoiminnalle sekä sydänperäiselle äkkikuolemalle. Sidekudoskasvutekijä (CTGF) säätelee TGF-β1:n signalointia ja se osallistuu haavan paranemiseen sekä fibroosiin. Tutkimuksessa selvitettiin, voidaanko sidekudoskasvutekijän tai TGF-β -perheen proteiinien toimintaa estämällä lievittää sydämen vajaatoiminnan kehittymistä. Koetuloksemme osoittavat, että CTGF:n toiminnan estäminen vasta-aineen (mAb) avulla vähentää hemodynaamisen liikakuormituksen indusoimaa vasemman kammion toiminnan heikkenemistä, kammion laajenemista sekä fibroosia. CTGF mAb myös vähentää kuolleisuutta ja estää sydämen toiminnan heikkenemistä sydäninfarktin jälkeen sekä lievittää sydäninfarktin jälkeistä dilatoivan kardiomyopatian kehittymistä. Aktiviinien ja myostatiinin toiminnan esto liukoisen aktiviinireseptori 2B:n (ACVR2B-Fc) avulla sen sijaan ei vaikuta sydäninfarktivaurioon tai iskeemisen vajaatoiminnan kehittymiseen. ACVR2B-Fc kuitenkin lisää luurankolihaksen kasvua, estäen sydämen vajaatoimintaan liittyvää luurankolihaskatoa. Sydämen hypertrofian ja vajaatoiminnan syntymisen kannalta keskeisten signaalinvälitysreittien tunnistaminen ja niiden toiminnan ymmärtäminen auttaisi kehittämään tehokkaampia lääkehoitoja sydänsairauksiin.

Abstract Cardiac hypertrophy is the primary adaptive mechanism of the heart to increased workload, though when advanced, it becomes a leading predictor for heart failure and sudden death. The growth stimulus elicited by a hemodynamic load is attributable to a combination of mechanical and neurohumoral factors, but the precise roles of individual growth promoting components are still unclear. This study utilized atrial natriuretic peptide (ANP) and B-type natriuretic peptide (BNP) as model genes with which to investigate the involvement and mechanisms of mechanical stress and peptide growth factors in hypertrophic response of cardiac myocytes. The direct effect of mechanical stretch was studied in two different in vitro models of cultured neonatal rat cardiomyocytes. In the first approach, hypo-osmotic swelling -induced stretch increased ANP mRNA levels in atrial cells. In the second model, cyclic mechanical stretch of ventricular cells grown on flexible membranes evoked ANP and BNP gene expression and secretion. The mechanisms of stretch-induced BNP gene expression were studied by measurement of the activities of transcription factors and by utilizing promoter analysis together with site specific mutations. Stretch activated the binding of the transcription factor GATA-4 similarly to pressure overload in vivo. Mutational studies revealed that specific GATA consensus sites on the BNP promoter, in combination with an Nkx-2.5 binding element, were critical for stretch-activated BNP transcription. Importantly, a reduction of GATA-4 protein levels inhibited the stretch-induced hypertrophic response. Both cyclic mechanical stretchin vitro and hemodynamic overload in vivo activated the expression of peptide growth factor bone morphogenetic protein-2 (BMP-2). The effects of BMP-2 closely resembled those of mechanical stretch including the increase in the expressions of ANP and BNP. Furthermore, the BMP antagonist noggin inhibited the effect of stretch on ANP and BNP. Fibroblast growth factor 1 stimulated ANP synthesis and secretion in a protein kinase C dependent manner. In conclusion, this work demonstrates that mechanical stretch per se is sufficient to activate the hypertrophic gene program in cardiac myocytes. This effect seems to be at least partially mediated by the growth factor BMP-2 acting in a paracrine manner. The activation of the GATA-4 transcription factor, in cooperation with a factor binding to the Nkx-2.5 binding element, is essential for mechanical stretch-induced cardiomyocyte hypertrophy. / Tiivistelmä Sydämen tärkein mukautumiskeino kohonneeseen työmäärään on sydänlihaksen kasvu. Sydänlihaksen liikakasvu on kuitenkin tärkein sydämen vajaatoiminnan ja äkkikuoleman ennustetekijä. Hemodynaamisen ylikuormituksen kasvua edistävä vaikutus on lukuisten mekaanisten ja neurohumoraalisten tekijöiden summa, jossa kunkin yksittäisen tekijän osuus on vielä epäselvä. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin mekaanisen venytyksen ja peptidikasvutekijöiden osuutta ja vaikutusmekanismeja sydämen liikakasvun synnyssä käyttämällä malligeeneinä sydämen eteispeptidiä (ANP) ja B-tyypin natriureettista peptidiä (BNP). Mekaanisen venytyksen välitöntä vaikutusta tutkittiin vastasyntyneen rotan sydänsoluviljelymalleissa. Osmolaliteetin muutoksella aiheutettu venytys lisäsi ANP:n lähetti-RNA-tasoja eteissoluissa. Venyväpohjaisilla kalvoilla kasvatettujen kammiosolujen syklinen venytys stimuloi ANP:n ja BNP:n geeniekspressiota ja eritystä. BNP:n geenisäätelymekanismeja tutkittiin mittaamalla transkriptiotekijöiden aktiivisuutta sekä geeninsiirtokokeilla hyödyntäen muunneltuja BNP:n geenisäätelyalueita. Venytys lisäsi transkriptiotekijä GATA-4:n sitoutumisaktiivisuutta samaan tapaan kuin painekuormitus koe-eläimillä. Tietyt BNP:n säätelyalueen GATA-sitoutumispaikat yhdessä Nkx-2.5:ttä sitovan elementin kanssa osoittautuivat tärkeiksi venytysvasteen kannalta. GATA-4 -proteiinitasojen vähentäminen esti venytyksen aiheuttamaa kasvuvastetta. Sekä syklinen mekaaninen venytys soluviljelykokeissa että hemodynaaminen ylikuormitus koe-eläimillä lisäsivät peptidikasvutekijä bone morphogenetic protein-2:n (BMP-2) geeniekspressiota. BMP-2:n suorat vaikutukset puolestaan muistuttivat läheisesti mekaanisen venytyksen vaikutusta, ANP:n ja BNP:n lisääntynyt geeniekspressio mukaan lukien. BMP-antagonisti noggin esti lisäksi venytyksen vaikutusta ANP:iin ja BNP:iin. Työssä osoitettiin myös, että fibroblastikasvutekijä 1 stimuloi ANP:n synteesiä ja eritystä proteiinikinaasi C:n välityksellä. Yhteenvetona tulokset osoittavat, että mekaaninen venytys itsessään riittää aktivoimaan sydänlihaksen kasvuun liittyvää geeniohjelmaa. Vasteen välittäjänä näyttää kuitenkin ainakin osittain toimivan paikallisesti tuotettu BMP-2. Edelleen, transkriptiotekijä GATA-4 yhdessä Nkx-2.5 -elementtiin sitoutuvan tekijän kanssa osoittautui välttämättömäksi mekaanisen venytyksen aiheuttamalle kasvuvasteelle.