Genska ekspresija ß-adrenergičkih receptora i ključnih molekula uključenih u proces njihove regulacije u kardiomiopatiji izazvanoj doksorubicinom

Abstract

Doksorubicin je efikasan lek u terapiji solidnih tumora i hematoloških maligniteta, u populacijama dece i odraslih. Najozbiljnije neželjeno dejstvo doksorubicina je kardiomiopatija, koja može dovesti do kongestivne srčane insuficijencije, čiji je mortalitet približno 50%. Mehanizmi doksorubicinske kardiomiopatije nisu sasvim razjašnjeni i, zbog toga, ne postoje efikasna prevencija i terapija. Imajući u vidu priznatu ulogu maladaptivnog procesa nishodne regulacije beta adrenergičkih receptora (β-AR) u dekompenzaciji srca, cilj ove studije bio je da u doksorubicinskoj kardiomiopatiji izmerimo gensku ekspresiju i sintezu β1-AR i β2-AR, kao i ključnih molekula uključenih u proces njihove nishodne regulacije: kinaza G protein-spregnutih receptora (GRK) i beta arestina (ARRB). Takođe, pretpostavili smo da bi inhibicija GRK2, ključne kinaze u nishodnoj regulaciji β-AR, mogla da prevenira toksično remodelovanje srca uzrokovano doksorubicinom i da poveća preživljavanje. U eksperimente su uključeni mužjaci Wistar pacova, nasumično raspoređeni u kontrolnu grupu – control (0,5 mL/kg 0,9% NaCl, i.v., n = 7), grupu tretiranu doksorubicinom – DOX (doksorubicin, 5 mg/kg i.v., n = 23 ) i grupu tretiranu doksorubicinom i paroksetinom – DOX+P (doksorubicin, 5 mg /kg i.v. + paroksetin 10 mg/kg/dan p.o. 5 dana pre aplikacije doksorubicina, n = 11). Tokom perioda praćenja u trajanju od 70 dana, evaluirani su znaci opšti znaci toksičnosti, telesna masa, preživljavanje i ultrazvučni parametri srčane morfologije i funkcije. Histopatološka analiza i RT-qPCR analiza ekspresije gena za β1-AR, β2-AR, GRK2, GRK3, ARRB1 i ARRB2 rađene su nakon žrtvovanja eksperimentalnih životinja. DOX pacovi bili su lošeg opšteg stanja i smanjenog preživljavanja, adinamični i progresivno su gubili na telesnoj masi. Ehokardiografijom je utvrđeno postojanje dve kliničke prezentacije srčane dekompenzacije: hipertrofična (DOX-HCM) sa smanjenim volumenom krvi leve komore na kraju dijastole (EDVLV) i očuvanom ejekcionom frakcijom leve komore (EFLV), i dilataciona (DOX-DCM), sa povećanim EDVLV, a smanjenom EFLV. Kod svih pacova tretiranih doksorubicinom, ekspresija β-AR i ARRB bila je nepromenjena. Jedino je kod DOX-HCM pacova pokazana povećana ekspresija i sinteza GRK2 i GRK3. Postojanje pozitivne korelacije između GRK2 i relativne debljine zida leve komore srca kod ovih pacova, sugeriše moguću ulogu GRK2 u nastanku srčane hipertrofije. DOX+P pacovi bili su dobrog opšteg stanja, povećanog preživljavanja i dobijali su na telesnoj masi tokom vremena. Ehokardiografija je pokazala očuvanu srčanu morfologiju i kontraktilnost. Kod ovih pacova, utvrđena je smanjena genska ekspresija i sinteza GRK2 i GRK3, a povećana ekspresija i sinteza β1-AR i β2-AR, što može predstavljati potencijalni mehanizam očuvanja inotropne rezerve srca. Ova studija pokazala je, po prvi put, da GRK2 inhibicija paroksetinom efikasno prevenira kardiotoksično remodelovanje uzrokovano doksorubicinom i povećava preživljavanje.

Doxorubicin is an effective drug for the treatment of solid tumors and hematological malignancies, in both children and adults. The most prominent side effect of doxorubicin is cardiotoxicity, which can lead to cardiomyopathy and irreversible and highly mortal cardiac decompensation (with mortality rate ~50%). The mechanisms of doxorubicin-induced cardiomyopathy are not fully elucidated and thus no effective prevention and treatment аre available. Having in mind the acknowledged role of maladaptive beta-adrenergic receptor (β-AR) downregulation in cardiac decompensation, the aim of this study was to quantify the gene expression and synthesis of β1-AR and β2-AR in doxorubicin-induced cardiomyopathy, as well as of the key molecules involved in their downregulation: G protein-coupled receptor kinases (GRKs) and beta arrestins (ARRBs). We also tackled the possibility that by inhibiting GRK2, a key kinase in β-AR downregulation, we can prevent toxic cardiac remodelling by doxorubicin and increase survival. The experiments were performed in male Wistar rats, randomly assigned to control group – control (0.5 mL/kg 0.9% NaCl, i.v., n = 7), doxorubicin-treated group – DOX (doxorubicin, 5 mg/kg i.v., n = 23) and doxorubicin plus paroxetine cotreated group – DOX+P (doxorubicin, 5 mg/kg i.v. + paroxetine 10 mg/kg/day p.o. 5 days prior to doxorubicin administration, n = 11). In the 70-days long follow-up period appearance of general signs of toxicity, changes in body weight and survival were monitored, as well as cardiac morphology and function by echocardiography. Postmortem, cardiac histology, and β1-AR, β2-AR, GRK2, GRK3, ARRB1, and ARRB2 gene expression by RT-PCR, were performed. DOX rats exhibited poor general condition, adynamia, progressive weight loss, and reduced survival. Echocardiography revealed two clinical presentations of cardiac decompensation: hypertrophic (DOX-HCM) with decreased left ventricular volume at the end of diastole (EDVLV) and preserved left ventricular ejection fraction (EFLV), and dilated (DOX-DCM) with increased EDVLV, and reduced EFLV. In all rats treated with doxorubicin, β-ARs and ARRBs gene expression was unchanged. Only DOX-HCM rats displayed increased expression and synthesis of GRK2 and GRK3. A positive correlation between GRK2 and relative left ventricular wall thickness in these rats suggests a possible role of GRK2 in the development of cardiac hypertrophy. DOX+P rats showed good general condition, weight gain, and increased survival. At echocardiography, cardiac morphology and contractility were preserved. In these rats, decreased gene expression and synthesis of GRK2 and GRK3, as well as increased expression and synthesis of β1-AR and β2-AR were found uncovering the underpinning mechanisms for preserved inotropic cardiac reserve. This study shows, for the first time that paroxetine-induced GRK2 downregulation effectively prevents the cardiotoxic remodelling by doxorubicin and increases survival.