Hypoxia-dependent mechanisms in the pulmonary circulation : Role of dimethylarginine dimethylaminohydrolase 1 (DDAH-1) in acute, sustained and chronic hypoxia

Abstract

Hypoxia is a prominent factor for induction of pulmonary vasoconstriction and pulmonaryhypertension (PH). Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) can be induced by alveolarhypoxia lasting seconds to minutes (= acute HPV) or minutes to hours (= sustained HPV).Both phases of HPV play an important role in matching local perfusion to ventilation, thusoptimizing pulmonary gas exchange. However, the irreversible increase of pulmonary arterialpressure (PAP) induced by sustained HPV might also facilitate development of PH. PH is afatal disease characterized by increased pulmonary vascular resistance. The pathophysiologyof PH can include endothelial dysfunction and pulmonary arterial smooth muscle cellhypertrophy and proliferation. Nitric oxide (NO) is a well-known vasodilator controlling adiverse range of pulmonary functions such as regulation of PAP. Asymmetric omega - NG, NG-dimethylarginine (ADMA) is a potent inhibitor of all three nitric oxide synthase (NOS)isoforms, resulting in impaired NO production. ADMA is degraded by dimethylargininedimethylaminohydrolase (DDAH) 1 and 2, both expressed in the lung.Therefore, the current study investigated the effects of DDAH1 on acute and sustained HPVas well as on hypoxia-induced PH in isolated, ventilated and perfused mouse lungs, and in awhole animal model. PH was quantified by measurement of right ventricular systolicpressure, right-to-left heart ratio and vascular morphometry. Concentration of ADMA andcyclic 3´, 5´-guanosine monophophate (cGMP) was determined by enzyme linkedimmunosorbent assay (ELISA). NO was measured by a chemiluminescence analyzer.DDAH1 overexpression had no effects on acute HPV. However, in sustained HPV (3 hours ofhypoxia), DDAH1 overexpression abolished the increase in PAP almost completely andconcomitantly decreased levels of ADMA, and significantly increased levels of NO andcGMP compared to wild-type (WT) mice. Sustained HPV could be restored by application ofthe NOS inhibitor N omega -Nitro-L-arginine (L-NNA), and the soluble guanylyl cyclase (sGC)inhibitor 1H-[1, 2, 4]oxadiazolo-[4, 3-a]quinoxalin-1-one (ODQ). Chronic hypoxic exposure(10% O2, 3 weeks) induced PH in WT and DDAH1tg mice without a difference in the degreeof PH in both mouse strains.This study revealed, that DDAH1 regulates ADMA concentration, NO bioavailability andvessel tone specifically in sustained HPV. Therefore, getting insight into DDAH1-dependentmechanisms may help find new strategies for treatment of diseases with impaired ventilationperfusionmatching due to decreased sustained HPV. Hypoxie ist einer der häufigsten Faktoren, die zu pulmonaler Vasokonstriktion undpulmonaler Hypertonie (PH) führen. Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV) wirddurch alveoläre Hypoxie induziert, die einige Sekunden bis Minuten (= akute HPV) oderMinuten bis Stunden (= prolongierte HPV) dauern kann. Beide Phasen der HPV spielen einewichtige Rolle für die Anpassung der lokalen Perfusion an die alveoläre Ventilation undoptimieren somit den pulmonalen Gasaustausch. Der Anstieg des pulmonalarteriellen Druckes(PAP), der durch die prolongierte HPV induziert wird, steht jedoch in der Diskussion, auchdie Entwicklung von chronischer PH zu fördern. PH ist eine häufig tödlich verlaufendeErkrankung, die durch einen permanent erhöhten pulmonalvaskulären Widerstandcharakterisiert ist. Die Pathophysiologie kann endotheliale Dysfunktion und Hypertrophie undProliferation von pulmonalarteriellen glatten Muskelzellen umfassen. Stickstoffmonoxid(NO) ist ein bekannter Vasodilatator, der eine Vielzahl pulmonaler Funktionen kontrolliertund unter anderem in die Regulation des PAP involviert ist. Asymmetrisches Dimethylarginin(ADMA) ist ein hochpotenter Inhibitor von allen Isoformen der NO Synthase (NOS), undschränkt somit die NO Produktion ein. ADMA wird von den DimethylargininDimethylaminohydrolasen (DDAH) 1 und 2 abgebaut, die beide in der Lunge exprimiertwerden.Vor diesem Hintergrund untersuchte die vorliegende Studie die Effekte der DDAH1 auf dieakute und prolongierte HPV und hypoxie-induzierte PH in der isolierten, ventilierten undperfundierten Mäuselunge, bzw. im intakten Tier. Die PH wurde mittels Messung desrechtsventrikulären systolischen Druckes, des Gewichtsverhältnisses von rechtem zum linkemVentrikel und der vaskulären Morphometrie quantifiziert. Die Konzentration von ADMA undzyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) wurde mittels enzymgekoppeltemImmunadsorptionstest (EIA) bestimmt. NO wurde mit einem Chemilumineszenz-Analysatorgemessen.DDAH1-Überexpression hatte keine Effekte auf die akute HPV. Allerdings war inprolongierter HPV nach 3 Stunden Hypoxie die Erhöhung des PAP bei DDAH1Überexpression komplett aufgehoben und gleichzeitig waren die Perfusatspiegel von ADMAerniedrigt und von NO und cGMP signifikant erhöht. Die prolongierte HPV konnte durch dieApplikation des NOS Inhibitors N omega -Nitro-L-arginine (L-NNA), und den Inhibitor derlöslichen Guanylatcyclase (sGC), 1H-[1, 2, 4]oxadiazolo-[4, 3-a]quinoxalin-1-one (ODQ),wiederhergestellt werden. Exposition chronischer Hypoxie (10% O2, 3 Wochen) führte zurEntwicklung von PH in WT und DDAH1tg Mäusen, ohne einen Unterschied in derAusprägung der PH in beiden Mauslinien.Die Studie zeigte, dass die DDAH1 die ADMA Konzentration, die NO Bioverfügbarkeit undden Gefässtonus spezifisch während der prolongierten HPV reguliert.Ein besseres Verständnis des DDAH1 Stoffwechselweges könnte dabei helfen, neuetherapeutische Möglichkeiten bei Erkrankungen mit eingeschränkter Ventilations-Perfusions-Anpassung aufgrund erniedrigerter prolongierter HPV zu finden.