Effects of sex and enhanced nitric oxide/cGMP signalling on aortic remodelling in experimental mild renal insufficiency

Abstract

Cardiovascular disease is the leading comorbidity in patients with renal disease and has been related to impaired nitric oxide signalling. Estrogens exert protective effects on the vascular system. This study aims at investigating aortic morphological, cellular and molecular alterations in a rat model of mild renal insufficiency, with a focus on the effects of sex, the contribution of aortic NO/cGMP signal transduction and the therapeutic potential of the NO-independent sGC stimulator BAY 41-8543. Age-matched male and female Wistar rats were assigned for 18 weeks into following groups: sham operated, subtotally nephrectomised (SNX), SNX+BAY 41-8543 and SNX+hydralazine. Analysis involved functional, histological and molecular kidney and thoracic aorta parameters. Statistical analyses were performed using Kruskal-Wallis and subsequent Mann-Whitney-U testing. SNX significantly increased systolic blood pressure, which was comparably reduced to control levels by BAY 41-8543 and hydralazine. The degree of morphological kidney damage and renal function impairment was similar in males and females independent of treatment. In SNX males, uremic aortic remodelling was characterized by marked media thickening and increased media-to-lumen ratio, vascular smooth muscle cells (VSMC) proliferation, macrophage infiltration, extracellular matrix turnover, decreased aortic elastin/collagen ratio and endothelial NO-synthase (eNOS) mRNA expression. No significant alterations of aortic media-to-lumen ratio, VSMC proliferation, macrophage infiltration, metalloproteinase-2 and eNOS mRNA expressions were seen in female uremic animals. BAY 41-8543 significantly ameliorated uremic aortic remodelling and stiffening. BAY 41-8543 reduced aortic VSMC proliferation and also modulated aortic VSMC phenotype and consequently decreased collagen I deposition, extracellular matrix turnover with low TIMP-1 and MMP-2 expression and increased the elastic content of the aortic wall. Aortic eNOS mRNA expression was normalized in BAY 41-8543-treated uremic animals. Hydralazine treatment did not substantially influence aortic remodelling. The present study shows that experimental mild renal insufficiency leads to pronounced aortic hypertrophic remodelling and stiffening in Wistar rats, and the underlying aortic morphological, cellular and molecular alterations undergo a sex- dependent regulatory process. Vascular disease was more severe in male rats and was related to reduced aortic eNOS expression. Specific sGC/cGMP stimulation by BAY 41-8543, but not hydralazine despite a similar reduction in blood pressure, significantly ameliorates the aortic wall remodelling and stiffening, indicating a blood pressure-independent mechanism. The findings in this experimental model of mild renal insufficiency suggest that pharmacological stimulation of the sGC enzyme may be a novel therapy concept for pathological arterial wall remodelling seen in patients with chronic renal disease.

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die führende Komorbidität bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung und ihre Pathogenese wurde mit beeinträchtigter Stickstoffmonoxid-Signaltransduktion assoziiert. Östrogene üben schützende Effekte auf das Gefäßsystem aus. Ziel dieser Studie ist die Untersuchung morphologischer, zellulärer und molekularer Veränderungen der Aorta in einem Rattenmodell einer milden Niereninsuffizienz. Untersucht wurden der Einfluss des Geschlechts, die Rolle der Aorten-NO/cGMP-Signaltransduktion und das therapeutische Potential des NO-unabhängigen sGC-Stimulators BAY 41-8543. Altersangepasste männliche und weibliche Wistar-Ratten wurden für 18 Wochen in schein-operierte, subtotal nephrektomierte (SNX), SNX + BAY 41-8543 und SNX + Hydralazin Gruppen eingeteilt. Untersucht wurden funktionale, histologische und molekulare Nieren- und thorakale Aorta-Parameter. Statistische Analysen wurden unter Verwendung von Kruskal-Wallis und anschließenden Mann- Whitney-U-Tests durchgeführt. SNX führte zu einer signifikanten Erhöhung des systolischen Blutdrucks, der durch BAY 41-8543 und Hydralazin auf Werte vergleichbar mit schein-operierte Tieren gleichermaßen reduziert wurde. Der Grad der morphologischen Nierenschäden und Nierenfunktionseinschränkung war bei männlichen und weiblichen Tieren vergleichbar und unabhängig von der Therapie. Das urämischen Aortenremodelling in SNX Männchen war durch deutliche Zunahme der Mediadicke und des Media-Lumen-Verhältnisses, Proliferation der glatten Gefäßmuskelzelle (VSMC), Makrophageninfiltration, erhöhten Umsatz der extrazellulären Matrix, verringerte Aorten-Elastin/Kollagen-Verhältnis und endotheliale NO-Synthase (eNOS) mRNA-Expression gekennzeichnet. Bei weiblichen urämischen Tieren wurden keine signifikanten Veränderungen des Media-Lumen- Verhältnisses, der VSMC Proliferation, Makrophageninfiltration, Metallo- proteinase-2 und eNOS mRNA Expression in der Aortenwand wurden beobachtet. BAY 41-8543 verbesserte signifikant das urämische Aortenremodelling und -Versteifung. BAY 41-8543 verminderte Aorta-VSMC-Proliferation und modulierte auch den Phänotyp der Aorta-VSMC und demzufolge reduzierte die Kollagen I-Ablagerung, den Umsatz der extrazellulären Matrix mit verminderter TIMP-1 und MMP-2-Expression und erhöhte den Elastingehalt der Aortenwand. Die Aorta- eNOS-mRNA-Expression wurde in BAY 41-8543-behandelten urämischen Tieren normalisiert. Der Prozess des Aortenremodelling wurde durch die Hydralazin- Therapie nicht wesentlich beeinflusst. Die vorliegende Studie zeigt, dass die experimentelle milde Niereninsuffizienz zu einem ausgeprägten hypertrophischen Aortenremodelling und Versteifung bei Wistar-Ratten führt und die zugrundeliegenden morphologischen, zellulären und molekularen Veränderungen der Aorta einem geschlechtsabhängigen regulatorischen Prozess unterliegen. Die vaskuläre Erkrankung war bei männlichen Ratten deutlich ausgeprägter und mit einer verminderten Aorta-eNOS-Expression assoziiert. Eine spezifische sGC /cGMP-Stimulation durch BAY 41-8543, aber nicht die Gabe von Hydralazin, trotz einer ähnlichen Reduktion des Blutdrucks, vermindert signifikant das Remodelling und die Versteifung der Aortenwand, was auf einem blutdruckunabhängigen Mechanismus hinweist. Die Ergebnisse in diesem experimentellen Modell der milden Niereninsuffizienz deuten darauf hin, dass die pharmakologische Stimulation des sGC-Enzyms ein neues Konzept in der Therapie des pathologischen arteriellen Remodellings bei Patienten mit chronischen Nierenerkrankungen darstellen kann.