Charakterisierung der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS2) im experimentellen Modell der Druck-induzierten Rechtsherzhypertrophie

Abstract

Pulmonale Hypertonie (PH) ist eine schwerwiegende Erkrankung des Lungengefäßsystems, die sich durch pathologische Umstrukturierungen der pulmonalen Gefäßwand und durch eine massiv erhöhte pulmonal-arterielle Resistenz auszeichnet. Der rechte Ventrikel kompensiert diesen erhöhten Widerstand durch funktionelle und strukturelle Adaptation. Stickstoffmonoxid (NO), endogen hergestellt durch NO-Synthasen (NOS), ist als pulmonaler Vasodilator und Modulator der kardialen Funktion bekannt. Die NOS2-Isoform wurde bereits als kritischer Mediator der Pathogenese pulmonal-vaskulärer Umstrukturierungen in experimentellen PH-Modellen identifiziert. Allerdings wurde in diesen Studien der direkte Effekt einer NOS2-Inhibition sowohl auf die rechtsventrikuläre Funktion als auch auf die rechtsventrikuläre myokardiale Umstrukturierung nicht hinreichend adressiert. Dementsprechend war es das Ziel dieser Arbeit, die Rolle von NOS2 in der experimentellen Rechtsherzhypertrophie und Dysfunktion zu charakterisieren. Chronische rechtsventrikuläre Drucküberladung induzierte die NOS2-Expression und -Aktivität im rechten Ventrikel in Kardiomyozyten und Fibroblasten. Außerdem resultierte die aufrechterhaltene erhöhte Schubspannung auf den rechten Ventrikel in einer vermehrten Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die durch unspezifische NOS-Hemmung auf den basalen Level reduziert wurde, was eine Rolle für NOS in der ROS-Produktion demonstriert. NOS2-defiziente Mäuse nach PAB-Operation zeigten sowohl keine Gegenregulation der konstitutiv aktiven NOS1- oder NOS3- Isoform als auch keine Drucküberladung-induzierte NO-Konzentrations-erhöhung. Die reduzierte NO-Menge im rechten Ventrikel ging einher mit erhöhter Präsenz von Superoxid und verringerter ROS-Formation. Der abgeschwächte oxidative Stresslevel war mit einer reduzierten rechtsventrikulären myokardialen Fibrose drei Wochen nach PAB assoziiert. Allerdings demonstrierten Analysen der rechtsventrikulären Funktion zu diesem Zeitpunkt sowohl in nicht-invasiven, bildgebenden Verfahren als auch in invasiven intra-kardialen Druck-Volumen Bestimmungen keinen Unterschied zwischen NOS2+/+- und NOS2-/--Tieren. In Übereinstimmung mit diesen Resultaten wurde die Kardiomyozyten-Hypertrophie durch den Genotyp nicht beeinflusst. Ex vivo Untersuchungen an isolierten rechtsventrikulären Fibroblasten unterstützten die Hypothese, dass NOS2 zur Ausbildung rechtsventrikulärer Fibrose durch Kollagensekretion in Zusammenhang mit exzessiver NO-Produktion beiträgt. Diese Beobachtungen, zusammen mit Hinweisen aus der Literatur, liefern Evidenz, dass die Reduktion der ROS-Formation durch NOS2-Hemmung die Ausbildung einer pathologischen PH-assoziierten rechtsventrikulären Fibrose verzögert. Ergänzend dazu werden weitere Studien benötigt, um die Rolle von NOS2 in der Progression und dem Übergang von einem kompensatorischen hin zu einem dekompensatorischen rechten Ventrikel zu untersuchen. Außerdem gilt es, das therapeutische Potential einer NOS2-Hemmung durch den Einsatz selektiver, hoch-potenter kleiner Moleküle (z.B. L-NIL) in der Pathogenese und der Therapie der rechtsventrikulären Hypertrophie und Dysfunktion zu studieren. Pulmonary hypertension is a fatal disorder characterized by inward vascular remodeling of small pulmonary arteries leading to dramatically increased pulmonary vascular resistance. The right ventricle attempts to compensate for this increased resistance by functional and structural adaptation. NO, synthesized by NO synthases (NOS), is well-known to exert vasodilator properties in pulmonary vessels and to modulate cardiac function. Furthermore, the crucial role of NOS2 in the pathogenesis of aberrant pulmonary vascular remodeling was already demonstrated. However, the direct effect of NOS2-inhibition on right ventricular function and structural remodeling was not addressed in these studies. Thus, we sought to investigate whether NOS2 contributes to the development of PH-associated dysfunction and pathological remodeling of the right ventricle.Sustained right ventricular pressure overload induced NOS2 expression and activity within the right ventricle in cardiac myocytes and fibroblasts. Furthermore, elevated pressure overload-induced ROS-production was robustly diminished by unspecific NOS inhibition - suggesting a role for NOS in oxidative stress. Global NOS2-deficient mice lack counter-regulation of NOS1 or NOS3 and miss the pressure overload-induced enhancement of NO production. These reduced NO-concentrations were accompanied by elevated superoxide occurrence and attenuated peroxynitrite formation. Amelioration of oxidative stress was linked to reduced myocardial right ventricular fibrosis three weeks after disease commencement without functional consequences as both, non-invasive cardiac imaging along with invasive intra-cardiac pressure-volume assessment revealed no alteration in right ventricular performance. In line with these findings, cardiomyocyte hypertrophy did not vary between pressure overload-challenged NOS2+/+ and NOS2-/- mice. Ex vivo characterization of right ventricular fibroblasts strengthened the hypothesis that NOS2 contributes to the development of right ventricular fibrosis through collagen secretion in response to excessive NO production. Notably, these results, together with literature data, suggest that reducing ROS-formation by NOS2-inhibition can decelerate the development of PH-associated pathological myocardial fibrotic remodeling. Further studies are needed to elucidate the role of NOS2 in the transition from compensated right ventricular hypertrophy towards decompensation in a time- and spatial-dependent manner. Additionally, the therapeutic potential of NOS2 inhibition by administration of selective small-molecule NOS2 inhibitors in the setting of chronic right ventricular pressure overload needs to be addressed in more detail.