Transgenic Overexpression of Endothelin-2 Aggravates Diabetic Cardiomyopathy in Rats

Abstract

Cardiovascular complications are the major causes of morbidity and mortality in patients with diabetes mellitus. Inhibitory interventions using endothelin receptor antagonists have suggested that the endothelin system plays an important role in diabetic cardiomyopathy, although some studies observed no or only a modest effect. In the present study, a stimulatory intervention, i.e. transgenic overexpression of the human endothelin-2 gene in rats, was used to further characterize the morphological and molecular contributions of endothelins to diabetic cardiomyopathy. Diabetes mellitus was induced by streptozotocin injection into male rats expressing the human endothelin-2 transgene and into transgene-negative littermate controls. Non-diabetic transgene-positive and -negative animals were included as well to form a 4-group study design. Insulin treatment was begun 2 weeks after diabetes was confirmed and was administered every second day. After 12 weeks of diabetes, insulin was injected daily. The aim of the insulin treatment was to prevent a blood glucose concentration of higher than 600 mg/dl and rat mortality due to metabolic complications. Heart morphological and molecular changes were analysed following 6 months of hyperglycaemia. Transgenic overexpression of the human endothelin-2 gene significantly intensified diabetic cardiomyopathy in the rats. The most prominent pathological changes were observed in epicardial and intramyocardial vessel hypertrophy and myocardial interstitial fibrosis. These changes were paralleled by a modest, but complex regulation of myocardial endothelin-1, endothelin A and B receptor expression. Six months of diabetes alone (i.e. without endothelin-2 overexpression as co-factor) were insufficient for revealing advanced cardiomyopathy. In diabetic wild-type rats, when compared with diabetic transgenic animals, the myocardial fibrosis markers were significantly lower and there was no hypertrophic remodelling of large coronary arteries. This interventional animal study, overexpressing human endothelin-2 in rats, provides strong complementary support for, and mechanistic insights into, a detrimental, blood pressure-independent role of endothelins in diabetic cardiomyopathy. The endothelin system seems to promote the development of diabetic cardiomyopathy by altering the arterial vessels and through profibrotic action. In conclusion, this study has demonstrated the usefulness of a transgenic model for evaluating the endothelin system s role in the pathogenesis of diabetic end-organ damage. The use of an endothelin antagonist has previously been shown to have beneficial consequences in experimental diabetes. The findings of this stimulatory interventional study correspond to this assessment, as they show the negative effects of endothelin overexpression on diabetic cardiomyopathy. Effective intervention in diabetes, however, has to take into account the complex regulation of the components of the endothelin system on the molecular level, and the observation that endothelins seem to interact with other molecular players in the development of diabetic cardiomyopathy. Thus, further studies are warranted in order to analyze whether endothelins play a role in other diabetic complications, and whether the contribution of endothelins in diabetic cardiomyopathy mechanisms may be pharmacologically modulated in order to yield a long-term beneficial effect on the evolution of this diabetic end-organ damage.

Kardiovaskuläre Komplikationen sind die wichtigste Ursache von Morbidität und Mortalität der Patienten mit Diabetes mellitus. Interventionen mit Endothelin- Antagonisten wiesen auf die mögliche Bedeutung des Endothelin-Systems bei der diabetischen Kardiomyopathie hin, obwohl die Ergebnisse entsprechender Studien nicht konsistent waren. In dieser Studie wurde ein transgenes Überexpressionsmodell für humanes Endothelin-2 verwendet, um morphologische und molekulare Auswirkungen von Endothelin auf die diabetische Kardiomyopathie zu charakterisieren. Der Diabetes mellitus wurde mittels Streptozotocin- Injektion induziert. Verwendet wurden männliche Ratten mit transgener Expression von humanem Endothelin-2 und nicht-transgene Kontrolltiere. Nicht- diabetische transgene und nicht-transgene Tiere wurden ebenfalls in die Studie eingeschlossen. Eine Insulintherapie wurde 2 Wochen nach Manifestation des Diabetes begonnen. Nach initialer Insulin-Applikation alle 2 Tage, wurde nach 12 Wochen beginnend Insulin täglich injiziert. Ziel der Insulintherapie war es, den Blutzucker unter 600 mg/dl einzustellen und Mortalität infolge metabolischer Komplikationen zu vermeiden. Die Herzen der Tiere wurden nach sechsmonatiger Hyperglykämie histologisch und molekular analysiert. Die transgene Expression des Gens für humanes Endothelin-2 in Ratten führte zu einer signifikant ausgeprägteren diabetischen Kardiomyopathie. Die deutlichsten Unterschiede betrafen die Hypertrophie epikardialer und intramyokardialer Gefäße und die Fibrose des myokardialen Interstitiums. Parallel zu diesen Veränderungen fand sich eine komplexe transkriptionelle Regulation der myokardialen Expression von Endothelin-1, Endothelin A- und B-Rezeptoren. Sechs Monate Diabetes mellitus alleine (ohne Endothelin- Überexpression als Co-Faktor) waren nicht in der Lage, eine fortgeschrittene Kardiomyopathie auszulösen. In der diabetischen nicht-transgenen Gruppe waren die myokardialen Fibrosemarker signifikant schwächer als in der diabetischen transgenen Gruppe. Diabetes alleine war nicht in der Lage, ein hypertrophes Remodelling der großen Koronargefäße zu bewirken. Die Überexpression von humanem Endothelin-2 bei Ratten mit Diabetes mellitus liefert neue Einblicke in die Bedeutung von Endothelinen für die Pathophysiologie der diabetischen Kardiomyopathie. Das Endothelinsystem begünstigt die Entwicklung der diabetischen Kardiomyopathie durch vaskuläres Remodelling und profibrotische Wirkungen unabhängig vom arteriellen Blutdruck. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen den Nutzen eines transgenen Modells bei der Untersuchung der Rolle des Endothelin-Systems in der Pathogenese der diabetischen End-Organ-Schäden. Eine positive Wirkung von Endothelin-Antagonisten wurde bereits in experimentellen Arbeiten nachgewiesen. Diese Studie bestätigt diese Arbeiten durch den Nachweis negativer Effekte der Überexpression von Endothelin auf die diabetische Kardiomyopathie. Die komplexe Regulation des Endothelin-Systems und dessen Interaktionen mit anderen molekularen Faktoren der diabetischen Kardiomyopathie müssen berücksichtigt werden, wenn es um pharmakologische Interventionen bei Patienten mit Diabetes mellitus geht. Zukünftige Studien sollten analysieren, ob auch bei anderen diabetischen Komplikationen Endothelin eine Rolle spielt und ob das Fortschreiten der diabetischen Kardiopathie durch pharmakologische Intervention verzögert werden kann.