Impact of Renin-Angiotensin- and Kallikrein-Kinin Systems in Aneurysm Formation and Possible Therapeutic Implications

Abstract

The overall prevalence of aortic aneurysms has strongly increased in the last 30 years due to an ageing population. Present treatment options such as endovascular stents or open surgery procedures are not appropriate for all patients. The risk of death from aneurysm rupture remains a significant clinical problem. Better understanding of aortic aneurysms is important for development of new pharmacological treatments. In this dissertation, different aspects of AAA were investigated in the context of reninangiotensin- and kallikrein-kinin-systems. In the first study we have found that most RAS components were significantly stronger expressed in human AAA when compared to atherosclerotic lesions (paper 1). Some components which take part in Ang II generation, namely chymase, cathepsin G and cathepsin D, additionally possess features such as chemotaxis or proteolysis which may accessorily contribute to AAA formation. Therefore, in humans increasing of RAS activation may be involved in the transition from atherosclerosis to AAA. The next study (paper 2) was designed to elucidate protective mechanisms of AT1 receptor blockade by AAA formation. We studied telmisartan, the AT1 receptor antagonist with long duration of action and high lipid solubility. Telmisartan prevented aneurysm expansion in an experimental model of AAA independently of blood pressure reduction. Several mechanisms of telmisaratan underlie vascular protection: inhibition of proteolysis, reduced production of proinflammatory cytokines and prevention of apoptotis in the aorta. The AT2 receptors which are known to afford tissue protective actions may be exposed to enhanced Ang II levels after AT1 blockade. The effects of the AT2 receptor stimulation were investigated using a specific AT2 receptor agonist compound 21 (paper 3). In the model of myocardial infarction, compound 21 reduced infarct size and improved heart function. These protective effects were associated with the anti-inflammation and anti-apoptosis. The implication of kallikrein-kinin system in aneurysm formation was discovered in a genetic animal model (paper 4). In this study we reported that Brown Norway Katholiek rats, which feature a deficiency of plasma kininogens, develop severe abdominal aortic aneurysm. A genetically determined kininogen deficiency promoted the formation of AAA but not atherosclerosis and was associated with enhanced elastolysis, FasL- and caspase-3-mediated apoptosis, changes in plasma cytokines and the induction of the MMPs associated proteolytic cascade. Next in vitro study has revealed a molecular basis for these effects (paper 5). HKa affected the regulation of MMP-9 and MMP-2 and their tissue inhibitors TIMPs in VSMCs as demonstrated by a negative regulation of cytokine-induced MMP expression and activity. This study suggested that HKa might contribute to prevent the extracellular matrix from excessive degradation in the context of physiological and pathophysiological vascular remodeling. Thus, pharmacological interference with various components of renin-angiotensin- and kallikrein-kinin-systems is a promising approach for the treatment of AAA.

Das Aneurysma der Aorta abdominalis (AAA) ist eine weltverbreitete vaskuläre Erkrankung mit hoher Sterblichkeitsrate. Die steigende Inzidenz des AAA in den letzten Jahrzehnten ist durch die Alterung der Bevölkerung bedingt. Die oft einzige Möglichkeit stellen operative oder endovaskuläre Therapien dar. Vor dem Hintergrund der Rupturgefahr von AAA sind neue therapeutische Strategien wünschenswert. Die genaue Bestimmung von spezifischen Genen und Pathomechanismen, die für die Aneurysma-Entstehung bedeutsam sind, könnte Angriffsmöglichkeiten für eine pharmakologische Therapie dieser Erkrankung identifizieren. In dieser Habilitationsschrift wurden verschiedene Aspekte der AAA im Kontext des Renin-Angiotensin-Systems (RAS) und des Kallikrein-Kinin- Systems (KKS) untersucht. Die Bedeutung des RAS für den Übergang aus der Atherosklerose in die Aneurysmenformation wurde durch eine Untersuchung des humanen Gewebes demonstriert (paper 1). In dieser Studie konnten wir eine Aktivierung/verstärkte Expression von RAS Komponenten (AT1 Rezeptor, Chymase, Cathepsin G und Cathepsin D) in AAA feststellen. Die therapeutischen Effekte der AT1 Rezeptor Blockade bei der AAA Formation wurden am Rattenmodel untersucht (paper 2). Der AT1 Rezeptor Antagonist Telmisartan zeigte eine inhibierende Wirkung auf die Entstehung der Elastase-induzierten AAA, die unabhängig von dem blutdrucksenkenden Effekt dieses Wirkstoffs auftrat. Diesem protektiven Effekt liegen anti-inflammatorische, anti-apoptotische und anti- proteolytische Mechanismen zugrunde. Da der AT2 Rezeptor eine wichtige Rolle bei der Gewebeadaptation und Regeneration spielt, haben wir die Effekte einer direkten AT2 Rezeptor Stimulation mit einem selektiven Agonisten des AT2 Rezeptors Compound 21 im Tiermodell untersucht (paper 3). Compound 21 zeigte einen positiven therapeutischen Effekt auf die Narbenbildung und die Herzfunktion. Dieser therapeutischen Wirkung liegt die Aktivierung von anti- inflammatorischen und anti-apoptotischen Prozessen zugrunde. Die Rolle des Kallikrein-Kinin Systems bei der Aneurysmaformation wurde in einem genetischen Tiermodell demonstriert (paper 4). In dieser Studie konnte eine ausgeprägte Prädisposition von Kininogen-defizienten Ratten für abdominale Aortenaneurysmen aufgezeigt werden, deren Entstehung durch eine Degradation von Elastinfasern, eine FasL- und Caspase-3-vermittelte Apoptoserate, gesteigerte Zytokinproduktion sowie eine erhöhte Expression von MMPs gekennzeichnet war. Hieraus ergaben sich erstmals Hinweise auf eine Beteiligung von Kininogen an der MMP-Regulation. Weiteren Untersuchungen in primären glatten Gefäßmuskelzellen zeigten auf, dass das gespaltene hochmolekulare Kininogen (HKa) die Zytokin-induzierte Sekretion von sowohl MMP-2 als auch MMP-9 konzentrationsabhängig reduzierte (paper 5). Auf der Grundlage dieser Ergebnisse spielen Renin-Angiotensin- und Kallikrein-Kinin- Systeme eine bedeutende Rolle bei der Entstehung von vaskulärem Stress und der dadurch bedingten Aneurysmenformation. Pharmakologische Beeinflussung dieser Systeme bildet einen vielversprechenden Ansatz zur Erweiterung der Behandlungsmöglichkeiten der AAA.