Heme oxygenase-1 in cardiovascular diseases

Abstract

Myocardial infarction (MI) and heart failure are major causes of morbidity and mortality worldwide. Treatment of MI involves early restoration of blood flow to limit infarct size and preserve cardiac function. MI leads to left ventricular remodeling, which may eventually progress to heart failure, despite the established pharmacological treatment of the disease. To improve outcome of MI, new strategies for protecting the myocardium against ischemic injury and enhancing the recovery and repair of the infarcted heart are needed.

Heme oxygenase-1 (HO-1) is a stress-responsive and cytoprotective enzyme catalyzing the degradation of heme into the biologically active reaction products biliverdin/bilirubin, carbon monoxide (CO) and free iron. HO-1 plays a key role in maintaining cellular homeostasis by its antiapoptotic, anti-inflammatory, antioxidative and proangiogenic properties. The present study aimed, first, at evaluating the role of HO-1 as a cardioprotective and prohealing enzyme in experimental rat models and at investigating the potential mechanisms mediating the beneficial effects of HO-1 in the heart. The second aim was to evaluate the role of HO-1 in 231 critically ill intensive care unit (ICU) patients by investigating the association of HO-1 polymorphisms and HO-1 plasma concentrations with illness severity, organ dysfunction and mortality throughout the study population and in the subgroup of cardiac patients.

We observed in an experimental rat MI model, that HO-1 expression was induced in the infarcted rat hearts, especially in the infarct and infarct border areas. In addition, pre-emptive HO-1 induction and CO donor pretreatment promoted recovery and repair of the infarcted hearts by differential mechanisms. CO promoted vasculogenesis and formation of new cardiomyocytes by activating c-kit+ stem/progenitor cells via hypoxia-inducible factor 1 alpha, stromal cell-derived factor 1 alpha (SDF-1a) and vascular endothelial growth factor B, whereas HO-1 promoted angiogenesis possibly via SDF-1a. Furthermore, HO-1 protected the heart in the early phase of infarct healing by increasing survival and proliferation of cardiomyocytes. The antiapoptotic effect of HO-1 persisted in the late phases of infarct healing. HO-1 also modulated the production of extracellular matrix components and reduced perivascular fibrosis. Some of these beneficial effects of HO-1 were mediated by CO, e.g. the antiapoptotic effect. However, CO may also have adverse effects on the heart, since it increased the expression of extracellular matrix components. In isolated perfused rat hearts, HO-1 induction improved the recovery of postischemic cardiac function and abrogated reperfusion-induced ventricular fibrillation, possibly in part via connexin 43.

We found that HO-1 plasma levels were increased in all critically ill patients, including cardiac patients, and were associated with the degree of organ dysfunction and disease severity. HO-1 plasma concentrations were also higher in ICU and hospital nonsurvivors than in survivors, and the maximum HO-1 concentration was an independent predictor of hospital mortality. Patients with the HO-1 -413T/GT(L)/+99C haplotype had lower HO-1 plasma concentrations and lower incidence of multiple organ dysfunction. However, HO-1 polymorphisms were not associated with ICU or hospital mortality.

The present study shows that HO-1 is induced in response to stress in both experimental animal models and severely ill patients. HO-1 played an important role in the recovery and repair of infarcted rat hearts. HO-1 induction and CO donor pretreatment enhanced cardiac regeneration after MI, and HO-1 may protect against pathological left ventricular remodeling. Furthermore, HO-1 induction potentially may protect against I/R injury and cardiac dysfunction in isolated rat hearts. In critically ill ICU patients, HO-1 plasma levels correlate with the degree of organ dysfunction, disease severity, and mortality, suggesting that HO-1 may be useful as a marker of disease severity and in the assessment of outcome of critically ill patients.

Sepelvaltimotautikohtaus ja sydämen vajaatoiminta ovat yleisiä sairastavuuden ja kuolleisuuden syitä. Sydäninfarktin hoidossa pyritään mahdollisimman varhaiseen pallolaajennus-, leikkaus- tai liuotushoitoon sydänlihaksen verenkierron palauttamiseksi ja infarktin koon rajoittamiseksi. Sydäninfarktin seurauksena voi nykyisistä hoitomuodoista huolimatta kehittyä sydämen vajaatoiminta. Jotta sydäninfarktin ennustetta voitaisiin parantaa ja sydämen vajaatoiminnan kehittymistä ehkäistä, tarvitaan uusia keinoja sekä sydämen suojaamiseksi hapenpuutteen aiheuttamalta vauriolta että vaurioituneen sydänlihaksen paranemisen edistämiseksi.

Hemioksygenaasi-1 (HO-1) on erityisesti reaktiivisten happiyhdisteiden aiheuttaman stressin seurauksena ilmentyvä, soluja suojaava entsyymi. HO-1 katalysoi hemin hajotuksen raudaksi, hiilimonoksidiksi (CO) ja biliverdiiniksi, joka edelleen pelkistetään bilirubiiniksi. HO-1:llä on osoitettu olevan mm. solukuolemaa, tulehdusreaktiota ja reaktiivisten happiyhdisteiden haitallista vaikutusta estäviä sekä verisuonten kasvua edistäviä (angiogeenisiä) vaikutuksia. Väitöstutkimuksessa selvitettiin HO-1:n kykyä estää ja korjata sydänlihasvauriota käyttämällä kokeellista sydäninfarktimallia ja eristettyjen sydänten iskemia/reperfuusio-mallia. Samoilla malleilla tutkittiin HO-1:n suojavaikutusmekanismeja. Tutkimuksessa selvitettiin myös HO-1 geenin polymorfioiden ja HO-1 plasmapitoisuuksien yhteyttä potilaiden ennusteeseen kriittisesti sairailla tehohoitoa vaativilla potilailla, joista osa oli sydänpotilaita.

Havaitsimme kokeellisessa sydäninfarktimallissa, että HO-1:n ilmentyminen lisääntyi sydäninfarktin seurauksena erityisesti infarktialueella, infarktin reuna-alueella ja verisuonten seinämissä. HO-1 proteiinia havaittiin infarktin reuna-alueen sydänlihassolujen sarkoplasmakalvoston lisäksi niiden päätelevyissä, mikä voi viitata HO-1:n rytmihäiriöitä estävään vaikutukseen. Tutkittaessa HO-1:n ja CO:n vaikutuksia tarkemmin, havaitsimme, että HO-1 ja CO edesauttoivat infarktin paranemista ja sydänlihasvaurion korjaamista mm. lisäämällä verisuonien uudismuodostusta (neovaskularisaatiota) infarktialueella. HO-1:n ja CO:n vaikutukset välittyivät kuitenkin eri mekanismeilla. CO lisäsi vaskulogeneesiä ja sydänlihassolujen uudismuodostusta lisäämällä c-kit-positiivisten kantasolujen ilmaantumista infarktialueelle ja angiogeenisten tekijöiden (Hif-1a, SDF-1a ja VEGF-B) ilmentymistä infarktialueella. HO-1 puolestaan lisäsi infarktialueella angiogeneesiä, mahdollisesti SDF-1a:n välityksellä. Lisäksi HO-1 suojasi sydäntä vähentämällä sydänlihassolujen ohjelmoitua solukuolemaa. Infarktivaurion paranemisen varhaisvaiheessa HO-1 myös lisäsi infarktin reuna-alueen sydänlihassolujen jakautumista. HO-1 vähensi myös verisuonia ympäröivää sidekudosmuodostusta ja kollageeni I:n ilmentymistä. Osa HO-1:n suojavaikutuksista välittyi CO:n kautta, kuten solukuolemaa estävä vaikutus. CO:lla voi kuitenkin olla myös epäedullisia vaikutuksia sydämessä, sillä se lisäsi tärkeimpien soluväliaineen osien, kuten kollageeni I:n, III:n ja fibronektiinin ilmentymistä. Eristetyissä sydämissä HO-1:n lisääminen ennen hapenpuutetta paransi sen jälkeistä sydämen toimintaa ja esti reperfuusion aiheuttaman kammiovärinän. HO-1:n sydäntä suojaava vaikutus iskemia/reperfuusio-mallissa näyttäisi välittyvän osittain konneksiini 43:n kautta.

Tutkimuksessa havaittiin myös, että HO-1 plasmapitoisuus oli selvästi koholla kaikilla tehohoitoa vaativilla potilailla, myös sydänpotilailla. HO-1 plasmapitoisuudet olivat yhteydessä elinhäiriöiden asteeseen ja sairauden vaikeusasteeseen. HO-1 plasmapitoisuudet olivat myös korkeammat potilailla, jotka kuolivat teho-osastolla tai sairaalassa verrattuna eloonjääneisiin. Neljän ensimmäisen tehohoitovuorokauden aikana mitattu korkein HO-1 plasmapitoisuus oli itsenäinen sairaalakuolleisuuden riskitekijä. Lisäksi havaitsimme, että HO-1 polymorfiat säätelevät HO-1 plasmapitoisuutta. HO-1 -413T/GT(L)/+99C haplotyyppi oli yhteydessä matalampiin HO-1 plasmapitoisuuksiin ja matalampaan monielinhäiriön insidenssiin. HO-1 polymorfioilla ei ollut yhteyttä kuolleisuuteen.

Väitöskirjassa todettiin, että HO-1:n määrä lisääntyy stressitilanteissa sekä eläinmalleissa että kriittisesti sairailla potilailla. On mahdollista, että HO-1:tä tai sen reaktiotuotteita voidaan tulevaisuudessa käyttää hoitokokeiluissa hapenpuutteen aiheuttaman sydänvaurion hoidossa, sillä HO-1 ja CO säätelivät tällaisen sydänvaurion paranemis- ja korjausprosessia kokeellisessa infarktimallissa. Lisäksi HO-1 suojasi sydäntä iskemia/reperfuusio-vauriolta ja säilytti sydämen toimintakyvyn hapenpuutteen jälkeen. Tehohoitopotilaiden HO-1 plasmapitoisuus oli sitä suurempi mitä suurempi oli elinhäiriöiden aste, taudin vaikeusaste ja kuolleisuus ja voisi siten toimia näiden potilaiden sairauden vakavuuden ja ennusteen osoittajana.