Identification, characterization and physiological significance of metabolites of the B-type natriuretic peptide

Abstract

The B-type natriuretic peptide (BNP1-32) is secreted in large amounts upon increasing blood pressure and other cardiopathological conditions to protect the body by its vasoactive and antifibrotic effects. It is routinely measured in the clinic as a biomarker for the diagnosis and prognosis of heart failure and is used as a drug (Nesiritide®) for the therapy of such. In circulation, BNP1-32 is constantly exposed towards proteolytic activity and it was thus hypothesised that, similar to other vasoactive peptides, BNP1-32 is truncated forming BNP metabolites with analog or altered bioactivity, before it is degraded.Through this thesis it is possible to give a detailed overview about BNP1-32 metabolism including the discovery of different pathways and enzymes leading to the formation of a variety of BNP metabolites. The main findings are: firstly, BNP metabolism is organ-specific. Secondly, this organ-specific BNP metabolism leads to the generation of numerous different BNP metabolites, namely BNP1-31, BNP1-30, BNP1-29, BNP7-32, BNP7-31, BNP7-30, and BNP7-29. Thirdly, this generation of BNP metabolites involves a variety of different enzymes, of which one is the endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1). Fourthly, full metabolism of BNP1-32 needs the concerted action of these enzymes. Fifthly, BNP metabolism also serves as a prerequisite for BNP clearance by neprilysin (NEP), since BNP metabolites such as BNP1-29 and BNP7-30 are degradable by the enzyme, whereas BNP1-32 is not. On the basis of these five main results, a comprehensive model of BNP processing was developed. As a sixth essential finding it was revealed that all newly identified BNP metabolites investigated exert biological activity in vitro, ex vivo, and in vivo. In particular, one of these BNP metabolites, BNP1-30, is able to reduce blood pressure substantially more strongly compared to BNP1-32 under normotensive and hypertensive conditions at least in part as a result of its altered receptor profile. The work presented shows for the first time that the metabolism of BNP1-32 is complex and involves a variety of enzymes forming different BNP metabolites with unique bioactivity and is thus representing an essential process for the cardioprotective actions of BNP. On the basis of this work it is implied that BNP processing is not purposed to generate BNP1 32 alone, but is aimed to generate BNP metabolites with similar and in part higher bioactivity compared to BNP1-32. It is thus concluded that the virtually mature BNP1-32 is rather a precursor for BNP1-30 or other BNP metabolites, a finding that suggests a fundamental revision and extension of the natriuretic peptide system. The experimental data also indicate that there might exist more metabolites of BNP, and surely also of other natriuretic peptides, exerting unique biological properties.Furthermore, the results of this thesis can be translated into clinical applications. The newly identified BNP metabolites, but also the manipulation of enzymes being involved in their formation, represent new tools for the therapy of heart failure. In particular, the metabolite BNP1 30 might be a better treatment option of cardiovascular diseases than Nesiritide®. The identification of BNP metabolites also allows the development of new diagnostic strategies in the assessment of cardiovascular diseases. In this manner, the compilation of a specific BNP metabolite profile could, as opposed to the current BNP measurement in the clinic that does not distinguish between the various forms of BNP, give detailed information about risk stratification, etiopathology, and therapeutic success. Das B-Typ Natriuretische Peptid wird in Folge von erhöhtem Blutdruck und anderen kardiovaskulären Erkrankungen vermehrt sekretiert, um den Körper durch seine vasoaktiven und antifibrotischen Effekte zu schützen. In der Klinik wird es routinemäßig als Biomarker zur Diagnose und Prognose von Herzversagen, sowie als Medikament (Nesiritide®) zur Therapie solcher verwendet. Da zirkulierendes BNP konstant proteolytischer Aktivität ausgesetzt ist, wurde die Hypothese aufgestellt, dass BNP1-32, ähnlich wie andere vasoaktive Peptide, zu Metaboliten trunkiert wird, bevor es abgebaut wird.Diese Arbeit ermöglicht die Aufstellung einer umfangreichen Übersicht über den Metabolismus des BNP1-32, welche die Entdeckung unterschiedlicher Wege und Enzyme, die zur Bildung einer Vielzahl an BNP Metaboliten führt, einschließt. Die wichtigsten Ergebnisse sind: Erstens, der Metabolismus von BNP ist spezifisch für jedes Organ. Zweitens, dieser organspezifische BNP-Metabolismus führt zur Generierung folgender BNP Metaboliten: BNP1-31, BNP1-30, BNP1-29, BNP7-32, BNP7-31, BNP7-30 und BNP7-29. Drittens, die Herstellung der BNP Metaboliten wird von mehreren unterschiedlichen Enzymen durchgeführt, zum Beispiel durch das Endothelin-konvertierende Enzym 1 (ECE-1). Viertens, der vollständige Metabolismus von BNP1-32 ist abhängig vom Zusammenwirken dieser Enzyme. Fünftens, der Metabolismus von BNP dient außerdem als Voraussetzung für den Abbau durch Neprilysin (NEP), da BNP Metaboliten wie BNP1-29 und BNP7-30 durch dieses Enzym degradiert werden können, jedoch nicht BNP1-32. Auf der Grundlage dieser fünf Ergebnisse wurde ein umfassendes Model für die Prozessierung von BNP entwickelt. Als sechstes Ergebnis kann formuliert werden, dass alle untersuchten und neu identifizierten BNP Metaboliten biologische Aktivität in vitro, ex vivo und in vivo aufweisen. Besondere Aufmerksamkeit kommt dem Metaboliten BNP1-30 entgegen, der den Blutdruck unter normotensiven und hypertensiven Bedingungen signifikant stärker senken kann als BNP1-32, was zumindest teilweise durch seine veränderte Rezeptorspezifizität hervorgerufen wird. Die Arbeit zeigt erstmalig, dass BNP1-32 einem komplexen Metabolismus unterliegt, der eine Vielzahl von Enzymen, die verschiedene BNP Metaboliten mit einzigartigen Aktivitäten generieren, einschließt, sodass er einen essentiellen Prozess darstellt, der zu den kardioprotektiven Eigenschaften des BNPs beiträgt. Die Arbeit impliziert, dass die Prozessierung von BNP nicht nur der Herstellung von BNP1-32 dient, sondern vielmehr die Generierung von BNP Metaboliten mit gleicher oder zum Teil sogar höherer Bioaktivität ermöglichen soll. Daraus wird gefolgert, dass das eigentliche, reife BNP1-32 eher ein Precursor für die Herstellung von BNP1-30 oder anderen BNP Metaboliten darstellt, was eine entscheidende Änderung und Erweiterung des Natriuretischen Peptid Systems zur Folge hat. Außerdem indizieren die experimentellen Daten das Vorkommen von zusätzlichen BNP Metaboliten sowie von Metaboliten anderer natriuretischer Peptide, die einzigartige biologische Funktionen aufweisen könnten.Die Ergebnisse dieser Arbeit können außerdem klinische Anwendung finden. Die neu identifizierten BNP Metaboliten selbst, sowie die Beeinflussung von Enzymen, die diese herstellen, legen neue Behandlungsansätze in der Therapie von Herzversagen nahe. Im Besonderen ist der neue Metabolit BNP1 30 möglicherweise ein besseres Medikament zur Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen als Nesiritide®. Die Identifizierung von BNP Metaboliten ermöglicht außerdem die Entwicklung von neuen diagnostischen Strategien zur Bewertung von kardiovaskulären Erkrankungen. Beispielsweise könnte das Erstellen eines spezifischen BNP Metaboliten Profils im Vergleich zur konventionellen Messung von BNP, die nicht zwischen den einzelnen BNP Metaboliten unterscheidet, genauere Informationen über Risikostratifikation, Krankheitsverlauf sowie Therapieerfolg geben.