L-carnitine therapy improves endothelial function in a lamb model of increased pulmonary blood flow

Abstract

Les cardiopaties congènites que cursen amb hiperaflux pulmonar resulten en una disfunció endotelial progressiva de la vasculatura pulmonar, que en part és dependent d’una disminució en la via de senyalització de l’òxid nítric (NO). En un model animal oví de cardiopatia congènita amb hiperafluxe pulmonar hem demostrat prèviament una disrupció en l’homeòstasis de la carnitina, que s’associa a disfunció mitocondrial i que contribueix tant al desacoblament de la sintassa d’òxid nítric endotelial (eNOS) com a una reducció del NO disponible. Aquest projecte de tesi doctoral té com a objectiu testar la hipòtesi que el tractament precoç amb L-carnitina mantindrà l’homeòstasis de la carnitina, la funció mitocondrial i la senyalització del NO en un model animal oví de cardiopatia congènita amb hiperaflux pulmonar. Mètodes: En l’última fase de la gestació, es va inserir intra-úter una comunicació aorto-pulmonar en 13 fetus de bens. Després d’un part espontani, els xais van rebre tractament diari amb L-carnitina (n = 7; 100 mg / kg / dia) o el seu vehicle (n = 6). Un grup addicional d’11 xais amb flux pulmonar normal va servir de control. Resultats: En comparació als xais amb hiperaflux pulmonar tractats amb vehicle, els xais tractats amb L-carnitina van presentar a les 4 setmanes d’edat postnatal una disminució en els nivells d’acilcarnitina i en la raó acilcarnitina/carnitina lliure. Aquests canvis es van correlacionar amb un augment en els nivells i en l’activitat de l’enzim carnitina acetiltransferasa (CRAT), alhora que amb una disminució dels nivells de CRAT nitrada i de la raó làctic/pirúvic. A més, els xais tractats amb carnitina van presentar una reducció significativa dels nivells de la proteïna Hsp70, en correlació amb un augment de les interaccions eNOS/Hsp90, de l’activitat NOS i dels nivells NOx, a la vegada que amb una disminució dels nivells de superòxid derivat d’eNOS. Finalment, l’administració d’acetilcolina va disminuir significativament la resistència pulmonar vascular esquerra només en els xais tractats amb L-carnitina. Conclusions: El tractament precoç amb L-carnitina pot millorar i/o atenuar el declivi de la funció endotelial que caracteritza els nens amb cardiopaties congènites associades a hiperaflux pulmonar, amb potencials implicacions clíniques rellevants que justifiquen continuar investigant.

Las cardiopatías congénitas que cursan con hiperaflujo pulmonar resultan en una disfunción endotelial progresiva de la vasculatura pulmonar, que en parte es dependiente de una disminución en la vía de señalización del óxido nítrico (NO). En un modelo animal ovino de cardiopatía congénita con hiperaflujo pulmonar, hemos demostrado previamente una disrupción en la homeostasis de la carnitina, que se asocia a una disfunción mitocondrial i que contribuye tanto al desacoplamiento de la sintasa del óxido nítrico endotelial (eNOS) como a una reducción del NO disponible. Este proyecto de tesis doctoral tiene como objectivo testar la hipótesis de que el tratamiento precoz con L-carnitina mantendrá la homeostasis de la carnitina, la función mitocondrial y la señalización del NO en un modelo animal ovino de cardiopatía congénita con hiperaflujo pulmonar. Métodos: En la última fase de la gestación, se insertó intra-útero una comunicación aorto-pulmonar en 13 fetos de corderos. Tras un parto espontáneo, los corderos recibieron tratamiento diario con L-carnitina (n=7; 100 mg/kg/día) o su vehículo (n=6). Un grupo adicional de 11 corderos con flujo pulmonar normal sirvió de control. Resultados: En comparación a los corderos con hiperaflujo pulmonar tratados con vehículo, los corderos tratados con L-carnitina presentaron a las 4 semanas de edad post-natal una disminución en los niveles de acilcarnitina y en la razón de acil-carnitine/carnitina libre. Estos cambios se correlacionaron con un aumento en los niveles y en la actividad de la enzima carnitina acetil-transferasa (CrAT), a la vez que con una disminución de los niveles de CrAT nitrada y de la razón láctico/pirúvico. Además, los corderos tratados con L-carnitina presentaron una reducción significativa de los niveles de la proteína Hsp70, en correlación con un aumento de las interacciones eNOS/Hsp90, de la actividad NOS y de los niveles NOx, a la vez que con una disminución de los niveles de superóxido derivado de eNOS. Por último, la administración de acetilcolina disminuyó significativamente la resistencia pulmonar vascular izquierda solo en los corderos tratados con L-carnitina. Conclusiones: El tratamiento precoz con L-carnitina puede mejorar y/o atenuar el declive de la función endotelial que caracteriza a los niños con cardiopatías congénitas asociadas a hiperaflujo pulmonar, con potenciales implicaciones clínicas relevantes que justifican continuar investigando.

Congenital heart disease (CHD) with increased pulmonary blood flow (PBF) results in a progressive pulmonary vascular endothelial dysfunction that is partly dependent on decreased nitric oxide (NO) signaling. In a lamb model of CHD with increased PBF, we have previously shown a disruption in carnitine homeostasis, associated with mitochondrial dysfunction that contributes to eNOS uncoupling and decreased bioavailable NO. This study aims to test the hypothesis that Lcarnitine therapy would maintain carnitine homeostasis, mitochondrial function and NO signaling in our lamb model of increased PBF. Methods: 13 fetal lambs underwent in-utero placement of an aorto-pulmonary graft (shunt). Immediately following spontaneous delivery, lambs received daily treatment with oral L-carnitine (n=7; 100 mg/kg/day) or its vehicle (n=6). An additional group of eleven lambs with normal PBF served as controls. Results: At 4-weeks of age, L-carnitine-treated shunt lambs had decreased levels of acylcarnitine and a reduced acylcarnitine/free carnitine ratio compared to vehicle-treated shunt lambs. These changes correlated with increased carnitine acetyl-transferase (CrAT) protein and enzyme activity, as well as decreased levels of nitrated CrAT. The lactate/pyruvate ratio was also decreased in L-carnitine-treated shunt lambs. Furthermore, Hsp70 protein levels were significantly decreased in L-carnitine-treated shunt lambs, which correlated with a significant increase in eNOS/Hsp90 interactions, NOS activity, and NOx levels, as well as with a significant decrease in eNOS derived superoxide. Further, acetylcholine significantly decreased left pulmonary vascular resistance (PVR) only in L-carnitine-treated shunt lambs. Conclusions: Early L-carnitine therapy may improve and/or attenuate the decline in endothelial function noted in children with CHD associated with pulmonary overflow, and thus has potentially important clinical implications that warrant further investigation.