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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/1070 |
| Date | 11 November 2008 |
| Creators | Ράπτη, Κλεοπάτρα |
| Contributors | Ζαχαροπούλου, Αντιγόνη, Rapti, Kleopatra, Καπετανάκη, Γιασεμή, Ζαχαροπούλου, Αντιγόνη, Φλυτζάνης, Κωνσταντίνος, Μίντζας, Αναστάσιος, Αθανασιάδου, Αγλαΐα, Μοσχονάς, Νικόλαος, Αγγελάτου, Φεβρωνία |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Book, Dataset, Image, Thesis, Working Paper |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0067 seconds