Open Access

Alexander Benkner

• Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören trotz zahlreicher medikamentöser und apparativer Therapiemaßnahmen noch immer zu den häufigsten Todesursachen in den Industrienationen. Die Herzinsuffizienz (HI) stellt dabei das Endstadium vieler Herzerkrankungen dar und beschreibt das Unvermögen des Herzens, die Blutzirkulation im Organismus bei normalem Ventrikeldruck konstant zu halten. Unabhängig von ihrer Ätiologie, wie Koronarerkrankungen, langjähriger Hypertonie oder auch Kardiomyopathien ist die HI neben der Funktionsreduktion des linken und/oder rechten Ventrikels gleichzeitig durch strukturelle Veränderungen (Remodeling) mit Gefäßverengung (Vasokonstriktion), endotheliale Dysfunktion mit Vasokonstriktion, sowie eine generalisierte neurohumorale Aktivierung gekennzeichnet. Die Suche nach neuen und alternativen Therapieverfahren zur Verbesserung der Symptomatik und Prognose der betroffenen Patienten ist daher notwendig. Einer der wichtigsten Mediatoren für die Regulation des Gefäßwiderstandes ist Stickstoffmonoxid (NO, nitric oxide), welches durch NO-Synthasen synthetisiert wird. NO aktiviert die lösliche Guanylatzyklase (sGC, soluble guanylate cyclase), wodurch es zu einer erhöhten Produktion des second messengers cGMP (cyclic guanosine monophosphate) kommt. Eine Beeinträchtigung des NO-sGC-cGMP-Signalweges und der dadurch bedingte Mangel an cGMP trägt zu den Prozessen der myokardialen und endothelialen Dysfunktion bei der Entwicklung und Progression einer HI bei. Die Entwicklung pharmakologisch aktiver Moleküle, die die sGC direkt stimulieren können, ist dabei von besonderem Interesse, da z.B. keine Toleranzentwicklung bei längerer Medikation oder andere negative Nebenwirkungen wie bei der Gabe von NO-Donatoren als Vasodilatatoren entstehen. Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss einer sGC-Stimulation mittels Riociguat (RIO), einem bereits für die Behandlung der pulmonal arteriellen Hypertonie (PAH) und der chronisch thromboembolischen pulmonalen Hypertonie (CTEPH) zugelassenen Medikament, auf die experimentelle HI untersucht werden. Neben Echokardiographie und histologischen Analysen zur Charakterisierung des Krankheitsphänotyps und der Auswirkung einer Behandlung darauf wurde ebenfalls auf Multi-Omics-Ansätze wie Proteomics und Transcriptomics zurückgegriffen, um detaillierte Einblicke in die molekularen Veränderungen auf Genexpressionsebene, Proteinebene und microRNA-Expressionsebene zu erlangen. Als Modell wurde die transverse Aortenkonstriktion (TAC) an C57BL/6N Mäusen verwendet, welche einen permanenten hämodynamischen Stressreiz auf das Herz ausübt, der schließlich zum Herzversagen führt. Im Hinblick auf die Pathogenese der HI simuliert TAC dabei auf elegante Weise eine arterielle Hypertonie, die unter anderem zu einer progressiven linksventrikulären Hypertrophie und einer reduzierten Herzfunktion unter chronischen Bedingungen führt. Für die medikamentöse Behandlung mit RIO wurde eine experimentelle Strategie gewählt, die der klinischen Situation entspricht. Dementsprechend wurde mit der Medikation zu einem Zeitpunkt begonnen, als die Herzfunktion bereits verschlechtert war und eine pathologische Hypertrophie und interstitielle Fibrose ausgebildet bzw. nachweisbar war. TAC führte zu einer kontinuierlichen Abnahme der linksventrikulären Ejektionsfraktionsfraktion (LVEF) und einer kontinuierlichen Zunahme der linksventrikulären Masse (LVM). Eine fünfwöchige Behandlung mit RIO (3 mg/kg/d) ab der vierten postoperativen Woche führte zu einer Verbesserung der LVEF und zu einer Verringerung des Verhältnisses von LVM zu Gesamtkörpergewicht (LVM/BW), myokardialer Fibrose und Myozytenquerschnittsflächen. RNA-Sequenzierungsanalysen der linken Ventrikel ergaben, dass RIO die Expression von myokardialen Stress- und Remodeling-Genen, wie z.B. Nppa, Nppb, Myh7 und Kollagen, verringerte und die Aktivierung biologischer Signalwege abschwächte, die mit kardialer Hypertrophie und HI in Verbindung stehen. Diese protektiven Effekte einer RIO-Behandlung konnten auch auf Proteinebene beobachtet werden und spiegelten sich in einer deutlichen Reduktion der TAC-induzierten Veränderungen des linksventrikulären Proteoms wider. Durch die Aortenkonstriktion betroffene Signalwege, die mit kardiovaskulären Erkrankungen assoziiert sind, wie gewebe- und zellstrukturspezifische Signalwege, besonders aber Signalwege des Energiemetabolismus, zeigten eine Verbesserung nach einer RIO-Behandlung. Zudem schwächte RIO auch die TAC-induzierten Veränderungen auf microRNA-Ebene in den linken Ventrikeln ab. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung mit RIO positive Auswirkungen auf die kardiale Struktur bzw. das pathologische kardiale Remodeling und die Funktion in einem murinen Modell der chronischen Nachlasterhöhung/Drucküberlastung hat, was mit einer Umkehrung bzw. Abschwächung der TAC-induzierten Veränderungen des kardialen linksventrikulären Genexpressions-, Proteom- und microRNA-Profils einhergeht. Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen die bisherigen Vermutungen und Erkenntnisse zum Potential von RIO als neuartigem HI-Therapeutikum. Des Weiteren wurden große Omics-Datensätze generiert, die als Informationsquelle zukünftigen Untersuchungen helfen können, die molekularen Mechanismen der chronischen HI und möglicher therapeutischer, medikamentöser Interventionen besser zu verstehen und weiter zu entschlüsseln.
• Cardiovascular diseases are still one of the leading causes of death in industrialized nations, despite numerous drug and device therapies. Heart failure (HF) is the final stage of many cardiac diseases and describes the inability of the heart to maintain constant blood circulation in the body at normal ventricular pressure. Regardless of its etiology, such as coronary diseases, long-standing hypertension, or cardiomyopathies, HF is characterized by structural changes (remodeling), endothelial dysfunction with vasoconstriction, and a generalized neurohumoral activation, in addition to a reduction in function of the left and/or right ventricle. Therefore, the search for new and alternative treatment methods to improve the symptoms and prognosis of affected patients is necessary. One of the most important mediators for the regulation of vascular resistance is nitric oxide (NO), which is synthesized by NO synthases. NO activates the soluble guanylate cyclase (sGC), resulting in an increased production of the second messenger cGMP (cyclic guanosine monophosphate). Impairment of the NO-sGC-cGMP pathway and consequent deficiency of cGMP contributes to the processes of myocardial and endothelial dysfunction in the development and progression of HF. The development of pharmacologically active molecules that can directly stimulate the sGC is of particular interest in this regard, as there is, for example, no development of tolerance during long-term medication or other negative side effects as with the administration of NO donors as vasodilators. The aim of this work was to investigate the impact of a sGC stimulation using riociguat (RIO) on experimental HF. RIO is a drug that has already been approved for the treatment of pulmonary arterial hypertension (PAH) and chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH). In addition to echocardiography and histological analyses to characterize the disease phenotype and the treatment effects on it, multi-omics approaches such as proteomics and transcriptomics were used to gain detailed insights into molecular changes at the gene expression level, protein level, and microRNA expression level. Transverse aortic constriction (TAC) in C57BL/6N mice was used to induce a permanent hemodynamic stress stimulus on the heart that eventually leads to heart failure. With regard to the pathogenesis of HF, TAC thereby elegantly simulates arterial hypertension, leading to progressive left ventricular hypertrophy and reduced cardiac function under chronic conditions. For RIO treatment an experimental strategy was chosen that reflects the clinical situation. Accordingly, medication was started at a stage when cardiac function was already impaired and pathological hypertrophy and interstitial fibrosis had developed. TAC resulted in a continuous decrease in left ventricular ejection fraction (LVEF) and a continuous increase in left ventricular mass (LVM). Five weeks of treatment with RIO (3 mg/kg/d) starting from week four post-surgery resulted in an improvement of LVEF and a decrease of LVM to body weight ratio (LVM/BW), myocardial fibrosis, and myocyte cross-sectional areas. RNA sequencing analyses of left ventricles revealed that RIO decreased the expression of myocardial stress and remodeling genes, such as Nppa, Nppb, Myh7, and collagen, and attenuated the activation of biological pathways associated with cardiac hypertrophy and HF. These protective effects after RIO treatment were also observed at the protein level and were reflected in a significant reduction of TAC-induced changes in the left ventricular proteome. Signaling pathways affected by aortic constriction and associated with cardiovascular diseases, such as tissue- and cell structure-specific signaling pathways, but especially signaling pathways of energy metabolism, showed improvement after RIO treatment. In addition, RIO also attenuated TAC-induced changes at the microRNA level in the left ventricles. This work shows that treatment with RIO has beneficial effects on cardiac structure or pathological cardiac remodeling and function in a murine model of chronic afterload increase/pressure overload, which is associated with reversion or attenuation of TAC-induced changes in cardiac left ventricular gene expression, proteome, and microRNA profiles. The results support the existing presumptions and findings on the potential of RIO as a novel HF therapeutic. Furthermore, large omics datasets as sources of information were generated, which may help future investigations to better understand and further decipher the molecular mechanisms of chronic HF and potential therapeutic drug interventions.