Antiarrhythmische Wirkung einer transgenen Überexpression des humanen CYP2J2 in Mausmodellen der Herzhypertrophie

Abstract

Hintergrund: Kardiovaskuläre Erkrankungen bilden bis heute die Haupttodesursache westlicher Industrienationen. Kardiales Remodelling, das strukturelle und elektrische Veränderungen beinhaltet, spielt eine Schlüsselrolle in der Entstehung kardialer Hypertrophie und prädisponiert für Arrhythmien und den plötzlichen Herztod. Cytochrom P 450 Enzyme (CYP) tragen durch Katalyse der Epoxidation oder Hydroxylierung von Arachidonsäure (AA) zur Eikosanoid-Biosynthese bei. Enzyme der CYP2C/2J Subfamilie fungieren als AA- Epoxygenasen und generieren Isozym spezifische regio- und stereoisomere Epoxyeicosatriensäuren (EETs). Sie sind potente Modulatoren physiologischer Funktionen und könnten über bekannte Regulation von Ionenkanälen antiarrhythmische Effekte ausüben. Zielstellung: Das Ziel dieser Arbeit war es, den Effekt einer erhöhten EET-Biosynthese durch kardiomyozytenspezifische Überexpression des CYP2J2 auf strukturelles sowie elektrisches Remodelling und den Einfluss auf Arrhythmien in zwei Mausmodellen kardialer Hypertrophie zu untersuchen. Zur Induktion kardialer Hypertrophie wurde die transversale Aortenkonstriktion (TAC) als Modell der chronischen Druckbelastung und im zweiten Ansatz die chronische β- adrenerge Stimulation durch Isoproterenol (Iso) angewandt. Ergebnisse: CYP2J2 Überexpression führte zur signifikanten Steigerung der Überlebensrate während achtwöchiger TAC, was jedoch nicht durch einen relevanten Effekt auf Hypertrophie und Herzinsuffizienz erklärbar war. Allerdings konnte eine signifikante Reduktion der Induktion ventrikulärer Tachykardien in der elektrophysiologischen Untersuchung (EPU) der CYP2J2 Mäuse (0/16) gegenüber den Wildtypen (WT) (7/15) beobachtet werden. Der wahrscheinlich für die Verbesserung der Mortalität ursächliche antiarrhythmische Effekt von EETs konnte erstmals beschrieben werden. CYP2J2 Überexpression führte darüber hinaus zu einer erhöhten ventrikulären effektiven Refraktärphase, basal und insbesondere nach TAC. Die QRS- Verbreiterung der WT Tiere nach TAC wurde durch CYP2J2 Überexpression reduziert. Darüber hinaus verhinderte die CYP2J2 Überexpression eine TAC induzierte Cx43 Dislokalisation. Zusammen wiesen die Ergebnisse auf Reduktion des elektrischen Remodellings als zugrundeliegenden Mechanismus der EET Wirkung im TAC Modell hin. Auch im zweiten Protokoll der chronischen β-adrenergen Stimulation war kein relevanter Effekt auf die Hypertrophieentwicklung in den CYP2J2 Tieren zu verzeichnen. Im Gegensatz zum TAC Modell reduzierte CYP2J2 die Fibroseentwicklung, was auf eine spezifische Interaktion der EETs mit dem β–adrenergen Signalweg hindeutete. Ventrikuläre Arrhythmien waren in diesem Modell nicht signifikant erhöht induzierbar. Allerdings war es möglich, AF in WT Tieren zu induzieren (13/27), was durch CYP2J2 verbessert wurde (4/24). Die chronische Iso Infusion induzierte eine Verkürzung der atrialen effektiven Refraktärphase sowie QRS- und QTc- Verkürzung in WT Tieren. Dies wurde durch CYP2J2 Überexpression verhindert. Verlust von Cx40 gap junction Proteinen durch Iso wurde durch CYP2J2 verringert. Somit konnte auch in diesem Modell ein hauptsächlicher Einfluss auf das elektrische Remodelling festgestellt werden. Schlussfolgerung: Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass erhöhte EET Biosynthese in CYP2J2 Mäusen eine Steigerung der Überlebensrate und einen starken antiarrhythmischen Effekt in zwei Modellen maladaptiver kardialer Hypertrophie ausübt. Unsere Daten weisen auf eine regulierende Rolle der EETs hauptsächlich auf das elektrische Remodelling, durch Einfluss auf Ionenkanäle und gap junction Integrität als zugrundeliegenden Mechanismus hin. Darüber hinaus konnte ein innovatives, leicht reproduzierbares Vorhofflimmermodell in der Maus etabliert werden, das neben der Identifizierung eines putativen EET Rezeptors und seiner nachgeschalteten Targets bei der Entwicklung einer neuen Klasse von kardioprotektiven und antiarrhythmischen Medikamente helfen wird.

Background: Cardiovascular diseases remain the leading cause of death in western industrial nations. Cardiac remodelling, involving structural and electrical changes, plays a pivotal role in the development of cardiac hypertrophy and predispose to arrhythmias and sudden cardiac death. CYP450 enzymes (CYP) contribute to eicosanoid-biosynthesis by catalyzing the epoxidation or hydroxylation of arachidonic acid (AA). CYP2C/2J subfamily members function as AA-epoxygenases. They generate isozyme specific sets of regio- and stereoisomeric epoxyeicosatrienoic acids (EETs) thereby acting as potent modulators of physiological functions. Possible anti-arrhythmic effects could be envisioned by the usage of known regulations of ion channels. Aims: The aim of this study was to investigate the effect of enhanced EET biosynthesis through cardiomyocyte specific overexpression of CYP2J2 on structural as well as electrical remodelling and on the development of arrhythmias in two cardiac hypertrophy mouse models. Cardiac hypertrophy was induced by transverse aortic constriction (TAC) as a model of chronic pressure overload. In a second approach, we used chronic β-adrenergic stimulation by isoproterenol (Iso). Results: CYP2J2 overexpression led to a significant increase of survival during eight weeks of TAC, although this could not be explained with a relevant effect on hypertrophy or heart failure. However, we could observe a significant reduction of protocols with ventricular tachycardia in electrophysiological studies (EPS) of CYP2J2 mice (0/16) in comparison to wildtype WT (7/15). We could show for the first time that the antiarrhythmic effect of EETs is most likely responsible for the improvement of the mortality. Additionally, CYP2J2 overexpression resulted in an increase in ventricular effective refractoriness, basal and especially after TAC. The QRS-complex enlargement of WT animals after TAC could be reduced by CYP2J2 overexpression. Furthermore CYP2J2 overexpression prevented TAC induced Cx43 dislocation. Taken together these results indicate a reduction of electrical remodelling as the underlying mechanism of EET action in the TAC model. In the second protocol of chronic β-adrenergic stimulation, we could not observe any relevant effect on hypertrophy development in CYP2J2 animals, either. In contrast to the TAC model, CYP2J2 reduced the development of fibrosis indicating a specific interaction of EETs on the β-adrenergic signaling pathway. Ventricular arrhythmias were not significant increased inducible in this model. However it was possible to induce atrial fibrillation in WT animals (13/27) that was improved by CYP2J2 (4/24). Chronic Iso-infusion induced a shortening of the atrial effective refractory period and QRS- and QTc-shortening in WT animals. Such an effect could be prevented by CYP2J2. An Iso induced loss of Cx40 gap junction protein could be decreased by CYP2J2. Thus, this model also revealed a major influence on electrical remodeling been observed. Summary: This study showed for the first time that increased EET biosynthesis in CYP2J2 mice provides pro-survival and strong anti-arrhythmic effects in two different models of maladaptive cardiac hypertrophy. Our data suggest a regulatory role of EETs mainly on electrical remodelling through ion channels and gap junction integrity as the underlying mechanisms. Moreover, an innovative, easy reproducible AF-model in the mouse could be described. Together with the identification of the putative EET receptor and its downstream targets this may allow the development of a new class of cardioprotective and antiarrhythmic drugs.