Alterações redox e mitocondriais induzidas pela hipertensão arterial pulmonar e alternativas terapêuticas com vesículas extracelulares derivadas de células mesenquimais e superexpressão da MnSOD

Abstract

Introdução: Sendo uma doença caracterizada pelo aumento da resistência vascular pulmonar e disfunção cardíaca direita, a hipertensão arterial pulmonar (HAP) também é marcada pela perturbação da homeostase redox e mitocondrial. Objetivo: Este trabalho teve como objetivo a investigação destas alterações no ventrículo direito (VD), no cérebro e nas vesículas extracelulares (EVs) circulantes de ratos com HAP induzida por monocrotalina (MCT). Além disso, em camundongos com HAP induzida por MCT, foram investigados os possíveis efeitos protetores de dois tratamentos: EVs derivadas de células-tronco mesenquimais (MSCs) e superexpressão da superóxido dismutase mitocondrial (MnSOD). Métodos: Na primeira etapa deste trabalho, ratos machos foram divididos em grupo Controle e MCT, e a doença foi induzida pela injeção única intraperitoneal de MCT (60 mg/kg). As avaliações hemodinâmicas e morfométricas e a coleta dos órgãos foi realizada após 21 dias. Após isto, as EVs foram isoladas a partir do sangue destes animais e foram preparadas, juntamente com o VD e o cérebro, para as análises dos parâmetros redox e mitocondriais. Na segunda etapa, camundongos de ambos os sexos foram divididos em grupo Controle, MCT, Controle + EVs e MCT + EVs, a doença foi induzida pela injeção semanal subcutânea de MCT (60 mg/kg) e o tratamento foi feito por injeção intravenosa semanal de MSC-EVs (de medula óssea humana) (3 x 106 partículas/ml) 24 após cada injeção de MCT/veículo, durante 4 semanas. Por fim, na terceira etapa, camundongos de ambos os sexos transgênicos foram divididos em grupo MnSODVE-NE (expressão normal da MnSOD) e MnSODVE-OE (superexpressão da MnSOD), e a doença foi induzida pela injeção semanal subcutânea de MCT (60 mg/kg) durante 4 semanas. Ao final deste período, em ambas as etapas, foi realizada a ecocardiografia e os órgãos foram coletados para posteriores análises morfométricas, histológicas e bioquímicas. Resultados e discussão: Na primeira etapa, foi observado um estado redox oxidativo no VD dos animais doentes, bem como o prejuízo na função de moléculas relacionadas à homeostase mitocondrial. Este mesmo perfil foi observado nas EVs circulantes destes animais. Por outro lado, no cérebro, as análises dos parâmetros redox indicaram um ambiente celular pouco oxidativo. Além disso, houve uma preservação da homeostase mitocondrial e do metabolismo energético celular neste tecido. Na segunda e terceira etapas, ambos os tratamentos foram capazes de impedir o desenvolvimento da HAP, uma vez que os animais do grupo MCT + EVs (na segunda etapa) e do grupo MnSODVE-OE (na terceira etapa) não apresentaram aumento significativo da resistência vascular pulmonar e da hipertrofia do VD, preservando o fluxo pela artéria pulmonar e a função cardíaca direita. Em ambas as etapas, este efeito benéfico foi relacionado com as diferenças na expressão de proteínas envolvidas com o metabolismo energético das células, como a GSK-3β, a FOXO1 e a CPT1A, avaliadas no tecido pulmonar, que parecem indicar a preservação do metabolismo energético normal celular pelo tratamento com as MSC-EVs e a superexpressão da MnSOD, ao invés da mudança metabólica característica da HAP. Conclusão: A função cardiopulmonar está severamente afetada pela HAP, com impacto sobre o metabolismo redox e mitocondrial celular no VD. Este estímulo parece alterar o conteúdo das EVs circulantes e estas, por sua vez, atuam como comunicadoras interórgãos para sinalizar o aumento de proteínas envolvidas na manutenção da homeostase redox e mitocondrial. Com base nisto, ambos os tratamentos com MSC-EVs e com superexpressão da MnSOD foram eficazes em proteger a função cardiopulmonar e impedir o desenvolvimento da HAP, através da preservação do metabolismo energético em favor da fosforilação oxidativa.

Introduction: Being a disease characterized by increased pulmonary vascular resistance and right heart dysfunction, pulmonary arterial hypertension (PAH) is also marked by disturbance of redox and mitochondrial homeostasis. Objective: This study aimed to investigate these changes in the right ventricle (RV), brain and circulating extracellular vesicles (EVs) of rats with monocrotaline-induced PAH (MCT). Furthermore, in mice with MCT-induced PAH, the possible protective effects of two treatments were investigated: EVs derived from mesenchymal stem cells (MSCs) and overexpression of mitochondrial superoxide dismutase (MnSOD). Methods: In the first stage of this work, male rats were divided between Control and MCT groups, and the disease was induced by a single intraperitoneal injection of MCT (60 mg/kg). Hemodynamic and morphometric evaluations and organ collection were performed after 21 days. After that, the EVs were isolated from the blood of these animals and were prepared, together with the RV and the brain, for the analysis of redox and mitochondrial parameters. In the second stage, mice of both sexes were divided into Control, MCT, Control + EVs and MCT + EVs, the disease was induced by the weekly subcutaneous injection of MCT (60 mg/kg), and the treatment was performed by weekly intravenous injection of MSC-EVs (from human bone marrow) (3 x 106 particles/ml), 24h after each MCT/vehicle injection, for 4 weeks. Finally, in the third stage, transgenic mice of both sexes were divided into groups MnSODVE-NE (normal expression of MnSOD) and MnSODVE-OE (overexpression of MnSOD), and the disease was induced by the weekly subcutaneous injection of MCT (60 mg/kg) for 4 weeks. At the end of this period, in both stages, echocardiography was performed, and the organs were collected for further morphometric, histological, and biochemical analyses. Results and discussion: In the first stage, an oxidative redox state was observed in the RV of the sick animals, as well as the impairment in the function of molecules related to mitochondrial homeostasis. This same profile was observed in the circulating EVs of these animals. On the other hand, in the brain, analyzes of redox parameters indicated a low oxidative cellular environment. In addition, there was a preservation of mitochondrial homeostasis and cellular energy metabolism in this tissue. In the second and third stages, both treatments were able to prevent the development of PAH, since the animals in the MCT + EVs group (second stage) and the MnSODVE-OE group (third stage) prevented the increase in pulmonary vascular resistance and hypertrophy of the RV, preserving the flow through the pulmonary artery and the right heart function. In both stages, this beneficial effect was related to differences in the expression of proteins involved in the energy metabolism of cells such as GSK-3β, FOXO1 and CPT1A, evaluated in lung tissue, which seem to indicate the preservation of normal cellular energy metabolism performed by treatment with MSC-EVs and MnSOD overexpression, rather than of the characteristic metabolic change in PAH. Conclusion: Cardiopulmonary function is severely affected by PAH, with an impact on cellular redox and mitochondrial metabolism in the RV. This stimulus seems to alter the content of circulating EVs and these, in turn, act as interorgan communicators to signal the increase of proteins involved in the maintenance of redox and mitochondrial homeostasis. Based on this, both treatments with MSC-EVs and MnSOD overexpression were effective in protecting cardiopulmonary function and preventing the development of PAH, by preserving energy metabolism in favor of oxidative phosphorylation.