Role of soluble guanylyl cyclase in the functional aging of mesenterial arteries in mice

Abstract

Aging of arteries is a pathophysiological factor in the development of cardiovascular diseases. It is a continuing and complex process, which ends in remodelling of all arterial wall layers and increased arterial stiffness. Endothelial dysfunction, i.e. the decreased ability to release nitric oxide (NO), is a hallmark of early vessel aging. Reduced endothelial NO-synthase (NOS) expression and activity as well as downstream signalling may be causal in this context. We hypothesize that aging not only affects endothelial cell function, but also impairs the NO signalling in the vascular smooth muscle cells (VSMC). To test the hypothesis, the second branch of mesenteric arteries from 13 weeks (juvenile) and 40 weeks (aged) mice were studied using wire myography. Contraction and relaxation were investigated using pharmacological approaches. Further, the expression of soluble guanylyl cyclase (sGC) subunits, NOS and phosphodiesterases (PDE) as well as the cyclic guanosine monophosphat (cGMP) concentration was analysed. Vessel structure was investigated by histological methods. Endothelium-dependent relaxation by acetylcholine (ACh) was impaired in aged arteries compared to juvenile one. Pre-treatment with L-NAME (NOS inhibitor) decreased the relaxation and abolished differences between groups. Expression of eNOS and nNOS at the mRNA level was similar in both groups. The NO donor SNP induced similar concentration dependent relaxations in juvenile and aged arteries. However, the follow up after a bolus application of SNP revealed slower relaxation speed in aged vessels. Pharmacological activation of sGC by bolus application of runcaciguat induced slower relaxation in the aged vessels, as well. The biggest difference between the two groups occurred 2 min after application of runcaciguat. At this time point, cGMP concentrations were significantly lower in aged vessels. Cumulatively applied sildenafil (PDE5 inhibitor) induced relaxation, which was less pronounced in aged compared to juvenile vessels. The mRNA expression of sGC subunits α1 and α2 and of PDE5 was lower in aged samples. Histological study did not show morphological changes between juvenile and aged arteries (mesenteric arteries and aorta). Media-Lumen-ratios did not differ between groups. The results show that NO signalling in the VSMC contributes to the impaired relaxation in aged mesenteric arteries. The functional limitations precede the structural changes in the process of aging. Lower mRNA expression of α subunits may be the reason for slower dynamics of cGMP catalysis by sGC. The limited ability of sGC to catalyse cGMP generation in a short time range (2 min) may influence cardiovascular control and contribute to the development of cardiovascular diseases.

Das Altern von Gefäßen ist ein pathophysiologischer Faktor bei der Entstehung kardiovaskulärer Erkrankungen. Ein Kennzeichen vaskulären Alterns ist die endotheliale Dysfunktion, die verminderte Fähigkeit des Endothels, Stickstoffmonoxid (NO) zu genieren. Hierfür können eine abnehmende Expression und Aktivität der endothelialen NO (eNOS) verantwortlich sein. Wir stellen die Hypothese auf, dass Alterungsvorgänge aber auch in der glatten Gefäßmuskulatur stattfinden und mit funktionellen Einschränkungen einhergehen. Mesenteriale Arterien (2. Abgang der A. mesenterica) von Mäusen im Alter von 13 (juvenil) und 40 Wochen (alternd) wurden in die Studie einbezogen und mittels Drahtmyographie untersucht. Die kontraktile und relaxierende Funktion der Gefäße wurde mittels pharmakologischer Stimulation bewertet. Weiterhin wurden die Expression der Untereinheiten löslichen Guanylatzyklase (sGC), der NOS, der Phosphodiesterasen (PDE) sowie die cGMP-Konzentrationen in den Gefäßen gemessen. Untersuchungen der Gefäßstruktur erfolgten mittels histologischer Methoden. Die endothelial-vermittelte Gefäßrelaxation durch Applikation von ACh war in alternden Arterien gegenüber den juvenilen vermindert. Behandlung mit dem unspezifischen Inhibitor von NOS, L-NAME, verursachte eine geringe Relaxation und die Unterschiede zwischen den Gruppen verschwanden. Expressionen von eNOS und neuronaler NOS unterschieden sich nicht im Vergleich der Gruppen. Die Konzentration-Wirkungskurven für den NO-Donor SNP waren in juvenilen und alternden Gefäßen gleich. Jedoch sind die Relaxationen auf eine Bolusgabe von SNP in den alternden Gefäßen langsamer. Das trifft auch für die pharmakologische Aktivierung der sGC durch den Aktivator Runcaciguat zu. Zwei Minuten nach Applikation des Bolus war der Unterschied in der Relaxationsgeschwindigkeit zwischen den Altersgruppen am größten und die cGMP-Konzentrationen in den alternden Gefäßen deutlich niedriger. Die Antwort auf Sildenafil (PDE5-inhibitor), in steigenden Konzentrationen kumulativ appliziert, war in alternden Gefäßen geringer. Die Untereinheiten sGC-1 und sGC-2 sowie von PDE5 waren hier weniger stark exprimiert. Die histologischen Studien zeigten keine strukturellen Veränderungen. Media-Lumen-Verhältnisse waren in beiden Gruppen gleich. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Alterung mit funktionellen Veränderungen des NO-Signalweges in den glatten Gefäßmuskelzellen einhergeht. Die funktionellen Veränderungen gehen der strukturellen voraus. Die langsame Reaktion der sGC auf Stimulation mit NO als auch mit dem sGC-Aktivator sind möglicherweise auf die verminderte Expression der -Untereinheiten zurückzuführen. Die verminderte Fähigkeit der sGC in den alternden Gefäßen, cGMP in einem kurzen Zeitraum ausreichend zur Verfügung zu stellen, kann für die Regulation des Kreislaufs und für die Entstehung kardiovaskulärer Erkrankungen von Bedeutung sein.