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A microscopic and transcriptome sequencing approach to protective mechanisms of opioid receptor stimulation in murine pressure overload induced heart failure
A microscopic and transcriptome sequencing approach to protective mechanisms of opioid receptor stimulation in murine pressure overload induced heart failure
Background: Heart Failure (HF) is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Decreased cardiac output and weakened contractile function are major factors accompanying disease progression in HF. This inefficiency leads to pathological remodeling that alters the functional and structural state of the myocardium. In contrast, exercise leads to physiological hypertrophy and remodeling that is beneficial to the heart leading to increased efficiency. In a model of pressure overload induced left ventricular hypertrophy we were able to show that opioid receptor agonists (ORA) are able to maintain heart function when compared to vehicle treated controls. We now aim to investigate the structural advantages of ORA treatment and the underlying cardio protective mechanisms. Methods: Transverse aortic constriction (TAC) or sham surgery was performed on male C57Bl/6J mice at 8-10 weeks of age. Echocardiography (ECHO) was utilized before surgery and biweekly at post TAC/sham to determine heart function and left ventricular dimensions. Two weeks after surgery the animals were randomly allocated to receive either vehicle control, an irreversible δ-opioid receptor agonist (FIT), or the selective κ-ORA (U50,488H). All three agents were administered intraperitoneally (FIT, 10μg/kg every 72h; U50488H, 1.25mg/kg or vehicle daily). At 10 weeks animals were scarified. Four to six hearts per group were prepared for histological and expression analysis and two hearts per group were perfused for transmission electron microscopy (TEM). RNA sequencing was utilized to compare RNA expression levels of the left ventricle between treatment groups. Results: The hypertrophic response to TAC surgery was not altered by any of the two ORA treatments. Microscopical analysis indicated less fibrosis and maintained structural integrity in κ-ORA treated TAC hearts. RNA sequencing analysis at study end point revealed altered apelin and HIF-1 signaling pathways after κ-ORA stimulation. Conclusion: Treatment with κ-ORA (U50.488H) might offer a novel therapeutic option to preserve heart function in pressure overload induced left ventricular hypertrophy. Results from RNA sequencing suggest that this protection may be mechanistically linked to apelin and HIF-1 signaling pathways., Hintergrund: Herzversagen (HF) ist weltweit einer der häufigsten Gründe für Morbidität und Mortalität. Verminderte kardiale Pumpleistung und abnehmende Kontraktilität sind Hauptfaktoren, die zum Progress des HF führen. Diese Ineffizienz bedingt auch eine pathologische Umstrukturierung in Funktion und Aufbau des Myokards. Im Gegensatz dazu, führt die sportliche Beanspruchung des Herzens zu einer physiologischen Hypertrophie und zu einer gesteigerten Effizienz. In einem Model der Hochdruck induzierten linksventrikulären Hypertrophie, konnten wir zeigen, dass Opioid Rezeptor Agonisten (ORA) die Fähigkeit besitzen die Herzfunktion zu erhalten, im Vergleich zu Vehikel-behandelten Kontrollen. Unser Ziel ist nun die strukturellen Vorteile einer ORA Behandlung und die zugrunde liegenden protektiven Mechanismen zu erforschen. Methoden: Transverse Aortenkonstriktion (TAC) oder Sham Operationen wurden an 8-10 Wochen alten, männlichen C57Bl/6J Mäusen durchgeführt. Echokardiografie (ECHO) wurde vor der OP und dann zweiwöchentlich nach TAC/Sham durchgeführt, um die Herzfunktion und linksventrikuläre Dimensionen zu bestimmen. Zwei Wochen nach OP erhielten die Tiere entweder eine Vehikel Kontrolle, den irreversiblen δ-Opioid Rezeptor Agonisten (FIT), oder den selektiven κ-ORA (U50,488H). Alle drei Agentien wurden intraperitoneal injiziert (FIT, 10μg/kg alle 72h; U50488H, 1.25mg/kg und Vehikel täglich). Vier bis sechs Herzen pro Gruppe wurden für die Histologie- und Expressionsanalysen vorbereitet. Zwei Herzen pro Gruppe wurden für Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) perfundiert. RNA Sequenzierung wurde genutzt, um die RNA Expression im linken Ventrikel zu bestimmen. Ergebnisse: Die hypertrophe Reaktion auf die TAC-OP wurde durch die zwei ORA nicht verhindert. Mikroskopische Analysen deuteten auf weniger Fibrose und eine erhaltene strukturelle Integrität der mit κ-ORA behandelten TAC Herzen hin. Die RNA Sequenzierung zum Studienendpunkt zeigte Veränderungen in Apelin und HIF-1 Signalwegen durch κ-ORA Stimulation. Schlussfolgerung: Die Behandlung mit κ-ORA (U50.488H) könnte eine neue therapeutische Option zum Erhalt der Herzfunktion in Bluthochdruck-bedingter linksventrikulärer Herzhypertrophie sein. Die Ergebnisse der RNA Sequenzierung ließen dabei die Verbindung der protektiven Wirkung der κ-ORA zu den Apelin und HIF-1 Signalwegen vermuten.
Heart failure, opioid receptor agonist
Deußen, Daniel
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Deußen, Daniel (2021): A microscopic and transcriptome sequencing approach to protective mechanisms of opioid receptor stimulation in murine pressure overload induced heart failure. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Background: Heart Failure (HF) is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Decreased cardiac output and weakened contractile function are major factors accompanying disease progression in HF. This inefficiency leads to pathological remodeling that alters the functional and structural state of the myocardium. In contrast, exercise leads to physiological hypertrophy and remodeling that is beneficial to the heart leading to increased efficiency. In a model of pressure overload induced left ventricular hypertrophy we were able to show that opioid receptor agonists (ORA) are able to maintain heart function when compared to vehicle treated controls. We now aim to investigate the structural advantages of ORA treatment and the underlying cardio protective mechanisms. Methods: Transverse aortic constriction (TAC) or sham surgery was performed on male C57Bl/6J mice at 8-10 weeks of age. Echocardiography (ECHO) was utilized before surgery and biweekly at post TAC/sham to determine heart function and left ventricular dimensions. Two weeks after surgery the animals were randomly allocated to receive either vehicle control, an irreversible δ-opioid receptor agonist (FIT), or the selective κ-ORA (U50,488H). All three agents were administered intraperitoneally (FIT, 10μg/kg every 72h; U50488H, 1.25mg/kg or vehicle daily). At 10 weeks animals were scarified. Four to six hearts per group were prepared for histological and expression analysis and two hearts per group were perfused for transmission electron microscopy (TEM). RNA sequencing was utilized to compare RNA expression levels of the left ventricle between treatment groups. Results: The hypertrophic response to TAC surgery was not altered by any of the two ORA treatments. Microscopical analysis indicated less fibrosis and maintained structural integrity in κ-ORA treated TAC hearts. RNA sequencing analysis at study end point revealed altered apelin and HIF-1 signaling pathways after κ-ORA stimulation. Conclusion: Treatment with κ-ORA (U50.488H) might offer a novel therapeutic option to preserve heart function in pressure overload induced left ventricular hypertrophy. Results from RNA sequencing suggest that this protection may be mechanistically linked to apelin and HIF-1 signaling pathways.

Abstract

Hintergrund: Herzversagen (HF) ist weltweit einer der häufigsten Gründe für Morbidität und Mortalität. Verminderte kardiale Pumpleistung und abnehmende Kontraktilität sind Hauptfaktoren, die zum Progress des HF führen. Diese Ineffizienz bedingt auch eine pathologische Umstrukturierung in Funktion und Aufbau des Myokards. Im Gegensatz dazu, führt die sportliche Beanspruchung des Herzens zu einer physiologischen Hypertrophie und zu einer gesteigerten Effizienz. In einem Model der Hochdruck induzierten linksventrikulären Hypertrophie, konnten wir zeigen, dass Opioid Rezeptor Agonisten (ORA) die Fähigkeit besitzen die Herzfunktion zu erhalten, im Vergleich zu Vehikel-behandelten Kontrollen. Unser Ziel ist nun die strukturellen Vorteile einer ORA Behandlung und die zugrunde liegenden protektiven Mechanismen zu erforschen. Methoden: Transverse Aortenkonstriktion (TAC) oder Sham Operationen wurden an 8-10 Wochen alten, männlichen C57Bl/6J Mäusen durchgeführt. Echokardiografie (ECHO) wurde vor der OP und dann zweiwöchentlich nach TAC/Sham durchgeführt, um die Herzfunktion und linksventrikuläre Dimensionen zu bestimmen. Zwei Wochen nach OP erhielten die Tiere entweder eine Vehikel Kontrolle, den irreversiblen δ-Opioid Rezeptor Agonisten (FIT), oder den selektiven κ-ORA (U50,488H). Alle drei Agentien wurden intraperitoneal injiziert (FIT, 10μg/kg alle 72h; U50488H, 1.25mg/kg und Vehikel täglich). Vier bis sechs Herzen pro Gruppe wurden für die Histologie- und Expressionsanalysen vorbereitet. Zwei Herzen pro Gruppe wurden für Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) perfundiert. RNA Sequenzierung wurde genutzt, um die RNA Expression im linken Ventrikel zu bestimmen. Ergebnisse: Die hypertrophe Reaktion auf die TAC-OP wurde durch die zwei ORA nicht verhindert. Mikroskopische Analysen deuteten auf weniger Fibrose und eine erhaltene strukturelle Integrität der mit κ-ORA behandelten TAC Herzen hin. Die RNA Sequenzierung zum Studienendpunkt zeigte Veränderungen in Apelin und HIF-1 Signalwegen durch κ-ORA Stimulation. Schlussfolgerung: Die Behandlung mit κ-ORA (U50.488H) könnte eine neue therapeutische Option zum Erhalt der Herzfunktion in Bluthochdruck-bedingter linksventrikulärer Herzhypertrophie sein. Die Ergebnisse der RNA Sequenzierung ließen dabei die Verbindung der protektiven Wirkung der κ-ORA zu den Apelin und HIF-1 Signalwegen vermuten.