Regulation of Kinin receptor Expression in Heart Failure with a Focus on Vascular Endothelium

Abstract

Accumulating evidence show that kinins, notably bradykinin (BK) and kallidin, have cardioprotective effects. To these include reduction of left ventricular hypertrophy (LVH) and progression of heart failure. The effects are mediated through two G protein-coupled receptors- bradykinin type-2 receptor (BK-2R) and bradykinin type -1 receptor (BK-1R). The widely accepted cardioprotective effects of BK-receptors relate to triggering the production and release of vasodilating nitric oxide (NO) by endothelial cells. They also exert anti-proliferative effects on fibroblasts and anti-hypertrophic effects on myocytes, and thus may play an essential role in the cardioprotective response to myocardial injury. The role for BK-1Rs in HF is based on experimental animal models, where the receptors have been linked to cardioprotective- but also to cardiotoxic -effects. The BK-1Rs are induced under inflammatory and ischemic conditions, shown in animal models; no previous reports, concerning BK-1Rs in human heart failure, have been presented. The expression of BK-2Rs is down-regulated in human end-stage heart failure. Present results showed that, in these patients, the BK-1Rs were up-regulated, suggesting that also BK-1Rs are involved in the pathogenesis of human heart failure. The receptors were localized mainly in the endothelium of intramyocardial coronary vessels, and correlated with the increased TNF-α expression in the myocardial coronary vessels. Moreover, in cultured endothelial cells, TNF-α was a potent trigger of BK-1Rs. These results suggest that cytokines may be responsible for the up-regulation of BK-1Rs in human heart failure. A linear relationship between BK-2R mRNA and protein expression in normal and failing human left ventricles implies that the BK-2Rs are regulated on the transcriptional level, at least in human myocardium. The expression of BK-2Rs correlated positively with age in normal and dilated hearts (IDC). The results suggest that human hearts adapts to age-related changes, by up-regulating the expression of cardioprotective BK-2Rs. Also, in the BK-2R promoter polymorphism -58 T/C, the C-allele was accumulated in cardiomyopathy patients which may partially explain the reduced number of BK-2Rs.

Statins reduce the level of plasma cholesterol, but also exert several non-cholesterol-dependent effects. These effects were studied in human coronary arterial endothelial cells (hCAEC) and incubation with lovastatin induced both BK-1 and BK-2Rs in a time and concentration-dependent way. The induced BK-2Rs were functionally active, thus NO production and cGMP signaling was increased. Induction was abrogated by mevalonate, a direct HMG-CoA metabolite. Lovastatin is known to inhibit Rho activation, and by a selective RhoA kinase inhibitor (Y27632), a similar induction of BK-2R expression as with lovastatin. Interestingly a COX-2-inhibitor (NS398) inhibited this lovastatin-induction of BK-2Rs, suggesting that COX-2 inhibitors may affect the endothelial BK-2Rs, in a negative fashion.

Hypoxia is a common denominator in HF but also in other cardiovascular diseases. An induction of BK-2Rs in mild hypoxic conditions was shown in cultured hCAECs, which was abolished by a specific BK-2R inhibitor Icatibant. These receptors were functionally active, thus BK increased and Icatibant inhibited the production of NO. In rat myocardium the expression of BK-2R was increased in the endothelium of vessels, forming at the border zone, between the scar tissue and the healthy myocardium. Moreover, in in vitro wound-healing assay, endothelial cells were cultured under hypoxic conditions and BK significantly increased the migration of these cells and as Icatibant inhibited it. These results show, that mild hypoxia triggers a temporal expression of functionally active BK-2Rs in human and rat endothelial cells, supporting a role for BK-2Rs, in hypoxia induced angiogenesis.

Our and previous results show, that BK-Rs have an impact on the cardiovascular diseases. In humans, at the end stage of heart failure, the BK-2Rs are down-regulated and BK-1Rs induced. Whether the up-regulation of BK-1Rs, is a compensatory mechanism against the down-regulation of BK-2Rs, or merely reflects the end point of heart failure, remains to bee seen. In a clinical point of view, the up-regulation of BK-2Rs, under hypoxic conditions or statin treatment, suggests that, the induction of BK-2Rs is protective in cardiovascular pathologies and those treatments activating BK-2Rs, might give additional tools in treating heart failure.

Kiniinireseptorien säätely sydämen vajaatoiminnassa

Kiniineillä, erityisesti bradykiniinillä ja kallidiinilla, on osoitettu sydäntä suojaavia vaikutuksia. Kiniinit estävät mm. sydämen vasemman kammion kasvua ja vajaatoiminnan kehittymistä.

Kiniinien vaikutukset välittyvät kahden G-proteiiniin liittyvään reseptorin -bradykiniini 1 ja 2 reseptorin (BK-1 ja BK-2)- kautta ja sydäntä suojaavat vaikutukset välittyvät mm. lisääntyneen typpioksidin (NO) tuoton kautta. Bradykiniini reseptorien kasvua estävät vaikutukset sekä sidekudossoluissa (fibroblasti) että sydänlihassoluissa nähdään sydänsairauksissa sydäntä suojaavina mekanismeina. Bradykiniini-2 reseptoreilla tiedetään olevan sydäntä suojaavia vaikutuksia, mutta bradykiniini-1 reseptorin rooli sydämen vajaatoiminnassa perustuu pitkälti kokeellisiin eläinmalleihin, joissa nämä reseptorit on liitetty suojaaviin, mutta myös sydäntä vaurioittaviin tekijöihin. BK-1 reseptorien tiedetään lisääntyvän tulehduksen ja /tai hapenpuutteen yhteydessä. Aikaisempaa tietoa näiden reseptorien merkityksestä sydämen vajaatoiminnassa ei ole. Vaikeassa sydämen vajaatoiminnassa BK-2 reseptorien määrä vähenee. Tutkimuksemme osoittivat, että vaikeassa sydämen vajaatoiminnassa bradykiniini 1 reseptorien määrä puolestaan selkeästi lisääntyi, lisäksi sytokiinit kykenivät lisäämään reseptorien määrää soluviljelmissä. Sytokiinien tuotto on lisääntynyt mm. sydämen vajaatoiminnassa. Tulokset viittaavat siihen, että myös bradykiniini 1 reseptorit ovat mukana vajaatoiminnan kehittymisessä. Terveessä sydämessä, mutta myös osassa vajaatoiminta sydämiä, BK-2 reseptorien määrä kasvoi iän funktiona. Tämä saattaa viitata siihen, että sydänlihas adaptoituu ikään liittyviin muutoksiin lisäämällä BK-2 reseptorimäärää.

Statiineja käytetään laskemaan veren kolesterolitasoa, mutta statiineilla tiedetään olevan myös kolesterolista riippumattomia vaikutuksia. Soluviljelmissä osoitimme, että lovastatiini lisäsi bradykiniini 2 reseptorimääriä ja typpioksidin (NO) tuotantoa. Typpioksidin tiedetään liittyvän mm. verisuonten laajenemiseen, aiheuttaen siten verenpaineen laskua. Lisäksi ns selektiivisellä tulehduskipulääkkeellä, COX-2 entsyymin estäjällä, voitiin myös estää bradykiniini 2 reseptorien määrän lisääntyminen endoteelisoluissa. Tämä viittaa siihen, että näiden lääkkeiden käytöllä voi olla negatiivisia vaikutuksia endoteelin bradykiniini 2 reseptorimäärään.

Hapenpuutetta nähdään sydämen vajaatoiminnan lisäksi muissakin sydäntaudeissa. Osoitimme, että lievä hapenpuute kykenee lisäämään ”hyviä” bradykiniini 2 reseptoreja, ja sitä kautta verisuonia laajentavan typpioksidin (NO) tuotantoa. Vaikutukset voitiin poistaa estämällä suoraan itse reseptoria, lisäksi NO tuotantoa voitiin lisätä aktivoimalla näitä reseptoreita suoraan bradykiniinillä. Edelleen, kokeellisessa mallissa endoteelisolujen kasvua voitiin lisätä bradykiniinillä ja estää bradykiniini 2 reseptorin vastavaikuttajalla. Tulosten perusteella voidaan ajatella sydämen reagoivan lievään hapenpuutteeseen lisäämällä sydäntä suojaavien BK-2 reseptorien määrää. Lisäksi tulokset tukevat BK-2 reseptorien roolia hapenpuutteen aiheuttamassa verisuonten uudismuodostuksessa.

Nämä ja aikaisemmat tulokset osoittavat, että bradykiniini reseptorit liittyvät sydämen vajaatoiminnan kehittymiseen. Sydäntä suojaavien bradykiniini 2 reseptorien määrä laskee vaikeassa sydämen vajaatoiminnassa ja bradykiniini 1 reseptorien määrä lisääntyy. Kliinisen työn kannalta, BK-2 reseptorien lisääntyminen sekä hapenpuutteessa että statiinien vaikutuksesta, viittaa siihen, että reseptorien aktivaatio on suojaava mekanismi patologisissa tiloissa, ja tekijät, jotka lisäävät BK-2 reseptorien määrää, saattavat olla vajaatoiminnan hoidossa merkityksellisiä.