Geschlechtsspezifische myokardiale Adaptation unter mTOR-Inhibition mit Rapamycin im normotensiven DOCA-Salz Hypertrophiemodell der Maus

Abstract

Im Kontext des renokardialen Syndroms führt eine primäre Abnahme der Nierenfunktion sekundär zu einem kardialen Remodeling mit myokardialer Hypertrophie, interstitieller Fibrose und Funktionsverlust. Bezüglich der Ausprägung dieser kardialen Adaptation bestehen geschlechtsspezifische Unterschiede, wobei im weiblichen Geschlecht grundsätzlich günstigere Verläufe beobachtet werden. Das normotensive Deoxykortikosteronacetat (DOCA)-Salz- Modell der Maus simuliert die Pathomechanismen des renokardialen Syndroms aus der Humanklinik. Auch im Tiermodell kann die beschriebene Geschlechtsspezifik der kardialen Anpassungsreaktion beobachtet werden. Basierend auf Ergebnissen vorangegangener Untersuchungen und der Beobachtung einer geschlechtsspezifischen Regulation des mechanistic target of Rapamycin (mTOR) ergab sich die Hypothese, dass die endogene mTOR-Signaltransduktion eine wichtige Rolle in der relativen weiblichen Kardioprotektion spielt. Dazu wurden weibliche und männliche Wildtyp-Mäuse unter den Bedingungen des normotensiven DOCA-Salz-Modells mit dem mTOR-Inhibitor Rapamycin behandelt und deren kardiale Phänotypen sowie die intrazelluläre Signaltransduktion gegen Kontrollgruppen ohne Rapamycin-Intervention verglichen. Blutdruckunterschiede zwischen den Versuchsgruppen konnten durch eine 6-wöchige, kontinuierliche Blutdruckmessung mit Hilfe eines Radio-Telemetriesenders sowie durch Messung des mittleren arteriellen Drucks (MAP) mittels Karotis-Katheters zum Versuchsende ausgeschlossen werden. Bei den männlichen Versuchstieren ging die Rapamycinintervention mit einer signifikanten Reduzierung der linksventrikulären Hypertrophie und einem Rückgang der interstitiellen Fibrose einher. Auf morphologischer Ebene wiesen diese Tiere eine konzentrische Hypertrophie mit Erhalt der Ejektionsfraktion auf. Im Bezug auf die Signaltransduktion konnte bei den Rapamycin-Männchen eine Reduzierung der Aktivität des mTOR-Komplex 1 (mTORC1) bei gleichzeitiger mTORC2-Aktivitätserhöhung nachgewiesen werden. Im Gegenzug entwickelten die weiblichen Versuchstiere unter Rapamycin eine dilatative, linksventrikuläre Hypertrophie mit vermehrter interstitieller Fibrose. Ausgehend von hohen konsekutiven Aktivitäten des mTORC1 und mTORC2 unter Placebo ging die Rapamycin-Intervention bei den Weibchen mit einer deutlichen Aktivitätsminderung beider mTOR-Komplexe einher. Vergleichbare Ergebnisse konnten bereits in vorangegangenen Studien zur Rolle des Östrogenrezeptors beta (ERbeta) im DOCA-Salz-Modell der Maus beobachtet werden. Der ERbeta- Knockout führte bei den Weibchen ebenfalls zu einem dilatativen kardialen Phänotypen mit vermehrter Fibrose und Reduzierung der mTORC1- sowie mTORC2-Aktivität. Interessanterweise war in der vorliegenden Studie bei den weiblichen Versuchstieren unter Rapamycin eine Beeinflussung der ERbeta- Proteinexpression nachweisbar, wonach eine Wechselwirkung der Rapamycinbehandlung mit der hormonellen Regulation der Östrogene denkbar und möglich erscheint. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit belegen, dass geschlechtsspezifische Unterschiede in der Regulation der beiden mTOR-Komplexe existieren und dass die Rapamycinbehandlung einen Einfluss auf die ERbeta- Expression hat. Die intakte Signaltransduktion von mTORC1 und mTORC2 scheint für die relative weibliche Kardioprotektion eine wichtige Bedeutung einzunehmen. Insbesondere der mTORC2 scheint östrogenabhängig einer geschlechtsspezifischen Regulation zu unterliegen und bedeutende Signale der weiblichen Kardioprotektion zu vermitteln. Diese Erkenntnis könnte in der Zukunft neue Denkansätze für eine geschlechtsspezifische Therapie der hypertrophen Kardiomyopathie liefern.

Patients with chronic kidney disease develop cardiac disease with left ventricular hypertrophy, interstitial fibrosis and decreased cardiac function in parallel. This clinical condition is described by the term chronic cardiorenal syndrome type IV (CRS IV). Male individuals more likely develop severe phenotype whereas female sex acts as a safe-guard against adverse cardiac remodeling in premenopausal stage. The deoxycorticosterone acetate (DOCA)-salt mouse model is an established animal model to simulate the pathomechanisms in CRS type IV. Sex specific differences observed in human cardiac adaption could be reproduced in experimental settings in mice. Male DOCA-salt hydralazine challenged mice exhibit adverse cardiac remodeling. In contrast, female mice are protected against maladaptive cardiac remodeling in this model under normotensive conditions. Previous experiments identified stimulus dependent sex-specific regulation of cellular signaling pathways in the heart including the mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway. Therefore, it is hypothesized that intact mTOR signaling is essential for intrinsic female cardiac protection. In order to characterize sex specific and mTOR signaling-dependent differences in cardiac phenotype as well as intracellular signaling in cardiomyocytes, DOCA-salt hydralazine treated mice upon mTOR inhibition with selective mTOR complex 1 (mTORC1) inhibitor rapamycin were investigated. No differences in blood pressure detected by continuous radio-telemetric measurement and carotis catheterization were observed. Rapamycin significantly reduced left ventricular hypertrophy and revealed concentric cardiac phenotype in male mice with preserved ejection fraction and reduced fibrosis. In parallel, decreased mTORC1 and compensatory upregulation of mTOR complex 2 (mTORC2) activity in rapamycin-treated male mice compared with vehicle controls were detected. In contrast, female mice developed eccentric left ventricular hypertrophy and augmented cardiac fibrosis. Treatment with rapamycin led to reduced activity of both mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2, in these groups. Similar results were observed in an earlier study with DOCA-salt female mice lacking the estrogen receptor beta (ERbeta). ERbeta knockout caused dilative left ventricular hypertrophy and augmented cardiac fibrosis as well as reduced mTORC1 and mTORC2 activity. Interestingly, mTOR inhibition upon rapamycin treatment decreased ERbeta- expression in female mice. In conclusion, the results of this study suggest that ERbeta-dependent regulation involves sex-specific use of mTOR signaling branches in the normotensive DOCA-salt model. Maintenance of both mTORC1 and mTORC2 signaling seems to be essential for adaptive cardiac remodeling in females and supports a rationale for sex-specific therapeutic strategies in left ventricular hypertrophy.