Prevention of cardiac remodeling after experimental myocardial infarction. Role of the angiotensin II type 2 receptor stimulation and modulation of MMP/TIMP axis

Abstract

This work summarizes our observations on the prevention of cardiac remodelling after experimental myocardial infarction (MI). MI remains a leading cause of morbidity and mortality worldwide and hence requires further therapeutic investigations. In the late phase of MI, adverse post-ischemic cardiac remodeling is characterized by fibrotic processes, collagen deposition and extracellular matrix degradation. The cardiac renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) plays an important role in post-ischemic pathological processes via AT1 receptor subtype (AT1R) activation. The AT2 receptor (AT2R) counteracts the AT1R. Therefore, we studied the effects of the AT2R stimulation by the direct non-peptide agonist C21 in the experimental model of MI in the rat 6 weeks after coronary artery ligation (P1). Treatment with C21 prevented left ventricular dilatation and dysfunction as evidenced by an improvement of cardiac systolic and diastolic parameters. Moreover, the AT2R stimulation decreased interstitial fibrosis and collagen accumulation. The anti-fibrotic effect was associated with a down-regulation of the pro-fibrotic cytokine Transforming Growth Factor beta 1 (TGF-β1) in the heart. Increased matrix metalloproteinase 9 (MMP9) levels and decreased tissue inhibitor of metalloproteases 1 (TIMP1) protein evidenced the proteolytic dysbalance. This dysbalance was ameliorated by C21 by activating TIMP1 which, in turn, inhibited MMP9. Collectively, these findings provide evidence of cardioprotective effects of the AT2R stimulation in the late phase post MI. The second study (P2) investigated the effects of the selective cannabinoid-1 receptor (CB1R) antagonist rimonabant in the rat model of MI and experimental metabolic syndrome. Blocking of the CB1R improved systolic and diastolic cardiac functions in the early and late stage after myocardial infarction, decreased pulse wave reflections and reduced cardiac remodelling. Importantly, CB1R blockade was also cardioprotective in rats with metabolic syndrome. Inhibition of proteolysis and decreased collagen accumulation due to reduced expression of TGF-β1 are the main mechanisms involved in the protective action of CB1 receptor blockade in the heart. We have also investigated the role of the kallikrein-kininogen-kinin system in the regulation of MMPs and TIMPs (P3). The cleaved form of high molecular weight kininogen (HKa) regulated the expression of MMP9, MMP2 and TIMPs in vascular smooth muscle cells. HKa reduced the IL-1α-stimulated release of MMP9 and MMP2. These results demonstrate that HKa affects the regulation of MMPs/TIMPs axis. Hence, HKa may also be a potential drug target for treatment of cardiovascular diseases. In summary, modulating of cardiac MMPs/TIMPs axis and prevention of TGF-β1 associated fibrosis obviate left ventricular remodelling and promote functional improvement after MI.

Diese Arbeit fasst unsere Beobachtungen über die Prävention von kardialem Remodeling nach experimentellem Myokardinfarkt zusammen. Herzinfarkt stellt die Hauptursache für Morbidität und Mortalität weltweit dar und erfordert weitere therapeutische Untersuchungen. In der Spätphase des Herzinfarktes ist postischämisches kardiales Remodeling durch fibrotische Prozesse, Kollagenablagerung und extrazelluläre Matrixdegradation gekennzeichnet. Das kardiale Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) spielt eine wichtige Rolle in den postischämischen pathologischen Prozessen durch die AT1-Rezeptor-Subtyp (AT1R) Aktivierung. Der AT2-Rezeptor (AT2R) wirkt dem AT1R entgegen. Daher untersuchten wir die Effekte der Stimulation mit dem direkten nicht- peptidischen AT2R-Agonist C21 in einem experimentellen Infarkt-Modell in Ratten 6 Wochen nach Koronararterien-Ligatur (P1). Die Therapie mit C21 hat die Dilatation des linken Ventrikels und die Dysfunktion durch eine Verbesserung der kardialen systolischen und diastolischen Parameter unterbunden. Außerdem verringerte die AT2R Stimulation die interstitielle Fibrose und Kollagenakkumulation. Die antifibrotische Wirkung war mit einer Hemmung des pro-fibrotischen Zytokins Transforming growth factor β1 (TGF-β1) im Herzgewebe assoziiert. Erhöhte Matrix-Metalloproteinase 9 (MMP9)-Niveaus und eine reduzierte Tissue inhibitor of metalloproteases 1 (TIMP1)-Expression auf Proteinebene belegten die proteolytische Dysbalance im postischämischen Herzgewebe. Dieses Ungleichgewicht wurde mit C21 durch TIMP1-Aktivierung, die wiederum MMP9 hemmte, verbessert. Zusammenfassend weisen diese Ergebnisse auf kardioprotektive Wirkungen der AT2R Stimulation in der Spätphase des Myokardinfarkts hin. Die zweite Studie (P2) untersuchte die Effekte des selektiven Cannabinoid-1-Rezeptor (CB1R) Antagonisten Rimonabant im Rattenmodell eines MI und eines experimentellen metabolischen Syndroms. Die Blockade des CB1R verbesserte die systolischen und diastolischen Herzfunktionen in der frühen und späten Phase nach MI, reduzierte die Pulswellenreflexionen und das kardiale Remodeling. Wichtig ist, dass die CB1R Blockade auch kardioprotektiv bei Ratten mit metabolischem Syndrom Wirkung zeigte. Die Hemmung der Proteolyse und die verminderte Kollagenakkumulation durch reduzierte TGF-β1-Expression stellen die Hauptmechanismen der Schutzwirkung der CB1-Rezeptor-Blockade im Herz dar. Die Rolle des Kallikrein- Kininogen-Kinin Systems in der Regulation von MMPs und TIMPs wurde auch untersucht (P3). Die gespaltene Form von hochmolekularem Kininogen (HKa) regulierte die Genexpression des MMP9, MMP2 und TIMPs in glatten Gefäßmuskelzellen. HKa verminderte die IL-1α-stimulierte MMP9 und MMP2- Freisetzung. Diese Ergebnisse zeigten, dass HKa die MMPs/TIMPs-Achse moduliert. Daher kann HKa auch als mögliches Zielmolekül für die Behandlung von kardiovaskulären Krankheiten dienen. Zusammenfassend eliminiert die Modulation der kardialen MMPs/TIMPs-Achse und die Prävention von TGF-β1- assoziierter Fibrose das linksventrikuläre kardiale Remodeling und fördert die Funktionsverbesserung nach einem Myokardinfarkt.