Ρόλος του FGF21 στην καρδιακή υπερτροφία που προκαλείται από αυξημένη πίεση

Abstract

Οι καρδιαγγειακές παθήσεις αποτελούν τη βασική αιτία θανάτου παγκοσμίως. Η καρδιακή υπερτροφική ανάπτυξη απαντάται σε πολλές περιπτώσεις καρδιαγγειακών παθήσεων, και μπορεί να οδηγήσει σε καρδιακή ανεπάρκεια και θάνατο. O FGF21 είναι μια ορμόνη που παράγεται και εκκρίνεται κυρίως από το ήπαρ και επηρεάζει σημαντικά τον μεταβολισμό. Χαμηλότερα επίπεδα FGF21 εκκρίνονται από τον σκελετικό μυ και από το λιπώδη ιστό. Οι έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί ως σήμερα, έχουν οδηγήσει σε αντιφατικά αποτελέσματα σχετικά με το ρόλο του FGF21 στην καρδιακή υπερτροφία καθώς μπορεί να δράσει είτε προστατευτικά είτε καταστροφικά, επιδεινώνοντας την παθολογία της νόσου ανάλογα με τον τρόπο που αυτή έχει προκληθεί. Για να εξετάσουμε τον ρόλο του FGF21 στην παθολογική υπερτροφία χρησιμοποιήσαμε ποντίκια που δεν εκφράζουν τον FGF21 στους δύο κύριους ιστούς προέλευσής του: το ήπαρ και τους σκελετικούς μύες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε ποντίκια στα οποία είχε απαλειφθεί το γονίδιο που κωδικοποιεί την έκφραση του FGF21 στους αντίστοιχους ιστούς μέσω διασταύρωσης ποντικιών που διέθεταν δύο περιοχές LoxP εκατέρωθεν του γονιδίου του FGF21 με ποντίκια που εξέφραζαν την Cre ρεκομπινάση στο ήπαρ (Alb-Cre+/-) ή στον σκελετικό μυ (MLC-Cre+/-). Στη συνέχεια, μελετήσαμε τον τρόπο με τον οποίο η απαλοιφή του γονιδίου του FGF21 στο ήπαρ ή στους σκελετικούς μύες επηρεάζει την καρδιακή υπερτροφία που προκαλείται από αυξημένη πίεση. Η αύξηση της πίεσης στο μυοκάρδιο εφαρμόστηκε με την τεχνική της Εγκάρσιας Αορτικής Στένωσης (Transverse Aortic Constriction; TAC) σε ποντίκια ελέγχου (Alb-Cre+/-, MLC-Cre+/-) και σε ποντίκια που έχει γίνει knock out ο παράγοντας FGF21 στο ήπαρ (Alb-Fgf21-/-) ή στους σκελετικούς μύες (MLC-Fgf21-/-). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στις δύο ομάδες ελέγχου (Alb-Cre+/- και MLC-Cre+/-) η Εγκάρσια Αορτική Στένωση αύξησε τα επίπεδα του FGF21 στον ηπατικό ιστό και στο πλάσμα και προκάλεσε καρδιακή υπερτροφία. Στα ποντίκια Alb-FGF21-/-, τα οποία είχαν μειωμένα επίπεδα ηπατικής έκφρασης του FGF21, παρατηρήθηκε μείωση του βάρους της καρδιάς προς το βάρος του σώματος και προς το μήκος της κνήμης, σε σύγκριση με τα ποντίκια ελέγχου που είχαν υποστεί TAC (Alb-Cre+/-). Εξέταση της μορφολογίας και της λειτουργίας της καρδιάς μετά τη στένωση με ανάλυση του διαθωρακικού ηχωκαρδιογραφήματος στον οριζόντιο και τον διαμήκη άξονα έδειξε ότι τα κλάσματα Εξώθησης και Βράχυνσης καθώς και οι Τελικοί Διαστολικοί και Συστολικοί όγκοι των ποντικιών Alb-FGF21-/- ήταν σε φυσιολογικά επίπεδα. Επιπλέον, στα ποντίκια Alb-FGF21-/- παρατηρήσαμε αύξηση του πάχους των τοιχωμάτων της αριστερής κοιλίας που δεν συνοδευόταν, προς έκπληξή μας, με διάταση της κοιλίας. Οι μελέτες μας στα ποντίκια MLC-FGF21-/- με TAC δεν είχαν τα ίδια ευρήματα με την ομάδα των Alb-FGF21-/- ποντικιών όσον αφορά στη μορφολογία και στη λειτουργία της καρδιάς. Συγκεκριμένα, η απαλοιφή του γονιδίου του FGF21 από τον σκελετικό μυ δεν αποκατέστησε τη φυσιολογική λειτουργία της καρδιάς και δεν λειτούργησε προστατευτικά έναντι της υπερτροφικής ανάπτυξης. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ο FGF21 που προέρχεται από το ήπαρ είναι ο βασικός παράγοντας συμβολής στην καρδιακή δυσλειτουργία που προκαλείται από την αυξημένη πίεση. Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών «Βιολογία Συστημάτων» του τμήματος Βιοτεχνολογίας της Γεωπονικής Σχολής Αθηνών. Η πειραματική εργασία πραγματοποιήθηκε εξ’ ολοκλήρου στο εργαστήριο του Αναπλ. Καθ. Κωνσταντίνου Δροσάτου στο Center for Translational Medicine του Lewis Katz School of Medicine at Temple University στη Philadelphia των ΗΠΑ, στο οποίο ανήκει και η πνευματική ιδιοκτησία όλων των αποτελεσμάτων.

Cardiovascular diseases (CVDs) are the main cause of death globally. Cardiac hypertrophic growth is seen in many forms of CVDs and can lead to cardiac failure and death. Previous studies in our lab found higher plasma levels of FGF21 in murine models of cardiac dysfunction and in plasma from heart failure patients. FGF21 is a hormone, secreted predominately by the liver, which affects metabolism. Low levels of FGF21 are secreted by the skeletal muscle and adipose tissue. Research up to date has indicated a contradictory role for FGF21 as either a protective or deleterious hormone in the progression of cardiac hypertrophy, depending on how the disease has been developed. To examine the role of FGF21 in pathological hypertrophy we used mice that do not express FGF21 in the liver and skeletal muscle which are the two main tissues of FGF21 secretion. For this purpose, we used mice with specific deletion of FGF21 gene in the corresponding tissues. The mouse lines resulted from crossing mice that had two LoxP sites on either region of FGF21 gene with mice that expressed Cre recombinase in the liver (Alb Cre+/- ) or in the skeletal muscle (MLC-Cre+/- ) respectively. Subsequently, we studied how does the deletion of the FGF21 in the liver or skeletal muscle affect pressure overload induced cardiac hypertrophy. The pressure overload in the myocardium was accomplished by performing Transverse Aortic Constriction (TAC) on control mice (Alb-Cre+/- , MLC-Cre+/- ) and on liver (Alb-FGF21-/- ) and skeletal muscle (MLC-FGF21-/- ) knockout mice. The results showed that in both control groups (Alb-Cre+/- and MLC-Cre+/- ), TAC surgery increased the levels of FGF21 in the liver and in the plasma and eventually led to cardiac hypertrophy. On the contrary, in the TAC Alb-FGF21-/- mice that had significantly lower levels of FGF21, there was a reduction in the ratio of heart weight to body weight and in the ratio of heart weight to tibial length compared to the control group (Alb-Cre+/- ). We then examined cardiac morphology and function post-TAC and saw a preservation of baseline Ejection Fraction (EF), Fractional Shortening (FS), End Diastolic Volume (EDV), and Systolic Volume (ESV), in both Long Axis and Short Axis in our Alb-FGF21-/- TAC group as compared to control. Additionally, we saw an increase in Left Ventricle (LV) wall thickness though interestingly this did not correlate with increased dilation or HW/BW and HW/TL ratios. Our studies of MLC-FGF21-/- mice post-TAC did not show the same preservation of EF, FS, EDV and ESV, indicating that cardiac function was not rescued by FGF21 deletion. Moreover, knock out of FGF21 in skeletal muscle did not protect against hypertrophic growth, suggesting that liver derived FGF21 is the main contributor to cardiac dysfunction post Pressure Overload. The above results suggest that liver-derived FGF21 is a major contributing factor in Pressure Overload Heart Failure. 6 The present thesis fulfills the requirements of the “Systems Biology” Master’s Program of the Department of Biotechnology of Agricultural University of Athens. The experiments were conducted at the laboratory of Dr. Konstantinos Drosatos at the Center for Translational Medicine of Lewis Katz School of Medicine at Temple University in Philadelphia (USA), which owns the intellectual property of all the results.