Efectes dels estrògens en la funció i la biogènesi mitocondrials cardíaques. Influència de l'entorn lipotòxic

Abstract

Introducció Estudis previs realitzats pel nostre grup d’investigació han posat de manifest l’existència d’un dimorfisme sexual en la funció i la biogènesi mitocondrials i en l’estrès oxidatiu del múscul cardíac, de forma que les rates femella presenten uns mitocondris més diferenciats i una menor producció de radicals lliures. Tenint en compte aquests antecedents, els objectius d’aquesta tesi doctoral han estat l’estudi de la contribució dels estrògens en aquestes diferències entre sexes, així com dels efectes d’aquestes hormones sobre la lipotoxicitat del miocardi, un desordre metabòlic caracteritzat, entre altres alteracions, per la pèrdua de l’homeòstasi mitocondrial. Per a la consecució d’aquests objectius s’han combinat estudis in vivo amb rates Wistar d’ambdós sexes sotmeses a diferents manipulacions hormonals, dietètiques i farmacològiques, i estudis in vitro amb cardiomiòcits H9c2 per confirmar els efectes específics dels diferents tractaments. - Contingut de la investigació L’ovariectomia produeix una disminució de la capacitat oxidativa mitocondrial i un increment de l’estrès oxidatiu al miocardi, efectes que són neutralitzats en gran mesura mitjançant l’administració de 17β-estradiol (E2). Els experiments in vitro demostren que aquest efectes de l’E2 estimulant la biogènesi mitocondrial es donen a través de la seva unió al receptor GPER, la qual cosa reforça la rellevància d’aquest receptor estrogènic com a diana terapèutica per fer front a l’increment del risc de patologia cardíaca en la peri i la post-menopausa. A rates alimentades amb una dieta hiperlipídica s’observa una major resistència al desenvolupament de lipotoxicitat cardíaca a les femelles, la qual cosa es podria deure als efectes de l’E2 reduint la disfunció mitocondrial i l’estrès oxidatiu que caracteritzen aquest procés lipotòxic. A més, les femelles mostren una major sensibilitat al tractament amb rosiglitazona, un fàrmac que atenua els efectes lesius de la lipotoxicitat. Aquesta millor resposta metabòlica de les rates femella està associada a una major activació de la proteïna AMPK al cor en comparació amb els mascles, i els nostres resultats in vitro demostren una contribució molt important de l’E2 en aquestes diferències. A més, aquesta hormona redueix l’activació de vies inflamatòries induïda per la lipotoxicitat als cardiomiòcits, encara que, en aquest cas, de forma no depenent de l’AMPK. La importància d’aquesta proteïna com a element antiinflamatori també s’ha vist a cèl·lules endotelials, on hem descrit un nou mecanisme antiinflamatori de l’AMPK que implicaria una disminució de l’activació de la TAK1, una proteïna que activa simultàniament les vies del NF-κB i de les MAPKs p38 i JNK. - Conclusió En conjunt, els resultats d’aquesta tesi posen de manifest que els estrògens són importants estimuladors de la funció i la biogènesi mitocondrials cardíaques i redueixen l’estrès oxidatiu i l’estat inflamatori d’aquest òrgan. Aquests efectes dels estrògens serien particularment importants en situacions patològiques que comportin alteracions del metabolisme energètic dels cardiomiòcits, com és la lipotoxicitat cardíaca, i, per tant, podrien ser un element clau en el desenvolupament d’estratègies terapèutiques per tractar aquests desordres.

- Introducción Estudios previos realizados por nuestro grupo de investigación han puesto de manifiesto la existencia de un dimorfismo sexual en la función y la biogénesis mitocondriales y en el estrés oxidativo del músculo cardíaco, de forma que las ratas hembra presentan unas mitocondrias más diferenciadas y una menor producción de radicales libres. Teniendo en cuenta estos antecedentes, los objetivos de esta tesis doctoral han sido el estudio de la contribución de los estrógenos en estas diferencias entre sexos, así como de los efectos de estas hormonas sobre la lipotoxicidad del miocardio, un desorden metabólico caracterizado, entre otras alteraciones, per la pérdida de la homeostasis mitocondrial. Para la consecución de estos objetivos se han combinado estudios in vivo con ratas Wistar de ambos sexos sometidas a diferentes manipulaciones hormonales, dietéticas y farmacológicas, y estudios in vitro en cardiomiocitos H9c2 para confirmar los efectos específicos de los diferentes tratamientos. - Contenido de la investigación La ovariectomía produce una disminución de la capacidad oxidativa mitocondrial y un incremento del estrés oxidativo en el miocardio, efectos que son neutralizados en gran medida mediante la administración de 17β-estradiol (E2). Los experimentos in vitro demuestran que estos efectos del E2 estimulando la biogénesis mitocondrial se dan a través de su unión al receptor GPER, lo cual refuerza la relevancia de este receptor estrogénico como diana terapéutica para afrontar el incremento del riesgo de patología cardíaca en la peri- y la post-menopausia. En ratas alimentadas con una dieta hiperlipídica se observa una mayor resistencia al desarrollo de lipotoxicidad cardíaca en las hembras, lo cual podría deberse a los efectos del E2 reduciendo la disfunción mitocondrial y el estrés oxidativo que caracterizan este proceso lipotóxico. Además, las hembras muestran una mayor sensibilidad al tratamiento con rosiglitazona, un fármaco que atenúa los efectos lesivos de la lipotoxicidad. Esta mejor respuesta metabólica de las ratas hembra está asociada a una mayor activación de la proteína AMPK en el corazón en comparación con los machos, y nuestros resultados in vitro demuestran una contribución muy importante del E2 en estas diferencias. Además, esta hormona reduce la activación de vías inflamatorias inducida por la lipotoxicidad en los cardiomiocitos, aunque en este caso de forma no dependiente de la AMPK. La importancia de esta proteína como elemento antinflamatorio se ha visto también en células endoteliales, donde hemos descrito un nuevo mecanismo antiinflamatorio de la AMPK que implicaría una disminución de la activación de la TAK1, una proteína que activa simultáneamente las vías del NF-κB y de las MAPKs p38 y JNK.

- Conclusiones En conjunto, los resultados de esta tesis ponen de manifiesto que los estrógenos son importantes estimuladores de la función y la biogénesis mitocondriales cardíacas y reducen el estrés oxidativo y el estado inflamatorio de este órgano. Estos efectos de los estrógenos serían especialmente importantes en situaciones patológicas que conlleven alteraciones del metabolismo energético de los cardiomiocitos, como la lipotoxicidad cardíaca, y, por lo tanto, podrían ser un elemento clave en el desarrollo de estrategias terapéuticas para tratar estos desórdenes.

Introduction Previous studies performed in our research group have reported the existence of a sexual dimorphism in mitochondrial biogenesis and function and oxidative stress in the heart such that female rats exhibit more differentiated mitochondria and a lower production of free radicals. In the light of this background, the aims of this doctoral thesis were to study the contribution of estrogens to these sex differences as well as the effects of these hormones on cardiac lipotoxicity, a metabolic disorder characterized by, among other alterations, loss of mitochondrial homeostasis. In order to achieve these purposes, we combined in vivo studies with Wistar rats subjected to different hormonal, dietary and pharmacological manipulations, and in vitro studies with H9c2 cardiomyocytes to confirm the specific effects of the different treatments. -Investigation content Ovariectomy decreases mitochondrial oxidative capacity and increases oxidative stress in the myocardium, effects which are neutralized to a great extent by the administration of 17β-estradiol (E2). The in vitro experiments performed in H9c2 cardiomyocytes demonstrate that the effects of E2 in stimulating mitochondrial biogenesis occur through binding to GPER, which emphasizes the importance of this estrogen receptor as a therapeutic target to tackle the increase of cardiac disease in peri- and post-menopause. In high-fat diet fed rats we observe a greater resistance to the development of cardiac lipotoxicity in females, which could be due to the effects of E2 in ameliorating the mitochondrial dysfunction and oxidative stress that characterize this lipotoxic process. In addition, females show a greater sensitivity to the treatment of rosiglitazone, a drug that reduces the detrimental effects of lipotoxicity. This better metabolic response of female rats is associated with greater cardiac AMPK activation compared to their male counterparts, and our in vitro results demonstrate an important contribution of E2 to these differences. Moreover, this hormone also attenuates the activation of the inflammatory pathways induced by lipotoxicity in cardiomyocytes but, in this case, in an AMPK-independent way. The importance of this protein as an anti-inflammatory factor was also observed in endothelial cells, where we describe a new anti-inflammatory mechanism for AMPK that would imply a decrease in TAK1 activation, a protein that simultaneously activates NF-κB pathway and both p38 and JNK MAPKs.

- Conclusions On the whole, the results of the present PhD thesis show that estrogens are important enhancers of cardiac mitochondrial biogenesis and function and reduce oxidative stress and inflammatory status in this organ. These effects would be particularly important in pathological situations that entail alterations in the energy metabolism of cardiomyocytes, such as cardiac lipotoxicity, and, consequently, could be a key element in the development of therapeutic strategies to deal with these disorders.