Acoplamento ventículo-vascular e disfunção diastólica em ratos 2SF-1, um novo modelo de Síndrome Metabólico

1 Rui João Gonçalves Cerqueira Acoplamento ventriculo-vascular e disfunção diastólica em ratos ZSF1, um novo modelo de síndrome metabólico Março, 2012 2 Mestrado Integrado em Medicina Área: Fisiologia Trabalho efetuado sob a Orientação de: Prof. Doutor Paulo Manuel Barreiros de Castro Chaves E sob a Coorientação de: Prof. Doutor Joaquim Adelino Correia Ferreira Leite Moreira Trabalho organizado de acordo com as normas da revista: Arquivos Brasileiros de Cardiologia Rui João Gonçalves Cerqueira Acoplamento ventriculo-vascular e disfunção diastólica em ratos ZSF1, um novo modelo de síndrome metabólico Março, 2012 3 Projeto de Opção do 6º ano - DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Eu, Rui João Gonçalves Cerqueira, abaixo assinado, nº mecanográfico 060801122, estudante do 6º ano do Mestrado Integrado em Medicina, na Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, declaro ter atuado com absoluta integridade na elaboração deste projeto de opção. Neste sentido, confirmo que NÃO incorri em plágio (ato pelo qual um indivíduo, mesmo por omissão, assume a autoria de um determinado trabalho intelectual, ou partes dele). Mais declaro que todas as frases que retirei de trabalhos anteriores pertencentes a outros autores, foram referenciadas, ou redigidas com novas palavras, tendo colocado, neste caso, a citação da fonte bibliográfica. Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, 12 /03 /2012 Assinatura: ________________________________________________ 4 Projeto de Opção do 6º ano – DECLARAÇÃO DE REPRODUÇÃO Nome: Rui João Gonçalves Cerqueira Endereço eletrónico: rui.jg.cerq[email protected] Telefone ou Telemóvel: 915249188 Número do Bilhete de Identidade: 13413437534 Título da Dissertação: Acoplamento ventriculo-vascular e disfunção diastólica em ratos ZSF1, um novo modelo de síndrome metabólico Orientador: Prof. Doutor Paulo Manuel Barreiros de Castro Chaves Ano de conclusão: 2012 Designação da área do projeto: Fisiologia É autorizada a reprodução integral desta Dissertação para efeitos de investigação e de divulgação pedagógica, em programas e projetos coordenados pela FMUP. Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, 12 /03 /2012 Assinatura: _______________________________________________ 5 Acoplamento ventriculo-vascular e disfunção diastólica em ratos ZSF1, um novo modelo de síndrome metabólico Ventricular-vascular coupling and diastolic dysfunction in ZSF1 rats, a new model of metabolic syndrome Título abreviado: Diastolic dysfunction and metabolic syndrome Rui Cerqueira, Maria José Mendes, André P. Lourenço, Paulo Castro-Chaves, Adelino F. Leite-Moreira Departamento de Fisiologia, Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, Portugal Endereço para correspondência: Prof. Doutor Adelino Leite-Moreira Department of Physiology, Faculty of Medicine, University of Porto Alameda Prof. Hernâni Monteiro, 4200-319 Porto, PORTUGAL Tel. +351-22.551.36.44; Fax. +351-22.551.36.46; E-mail: [email protected] Palavras-Chave: Hipertensão arterial; síndrome metabólico; disfunção diastólica; insuficiência cardíaca diastólica; acoplamento ventriculo-vascular; rigidez Key-words: Hypertension, metabolic syndrome, diastolic dysfunction, diastolic heart failure, ventricular-vascular coupling, stiffness 6 RESUMO FUNDAMENTO: Hipertensão arterial, obesidade e diabetes mellitus são patologias prevalentes que cursam com remodelagem miocárdica, e, eventualmente, disfunção diastólica. As alterações da fisiologia e estrutura vasculares que se processam paralelamente podem contribuir não só para o síndrome clínico da insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada (ICFEP), como também para a progressão da disfunção miocárdica. OBJECTIVOS: Avaliar a contribuição relativa da hipertensão arterial, obesidade e diabetes mellitus para o desenvolvimento de insuficiência cardíaca diastólica num modelo experimental. MÉTODOS: Ratos com 20 semanas de idade, das estirpes Wistar Kyoto (WKY, n=11), ZSF1 magro (ZSF1Mg, n=11) e ZSF1 obeso (ZSF1Ob, n =11), foram estudados através da avaliação hemodinâmica invasiva, estudo funcional vascular da artéria aorta abdominal e avaliação morfológica e histológica cardíaca e vascular. RESULTADOS: Os animais ZSF1Mg demonstraram hipertensão arterial e hipertrofia ventricular esquerda e cardiomiocitária relativamente aos WKY, agravadas no grupo ZSF1Ob. A função sistólica, avaliada quer pelo índice cardíaco, quer pela fração de ejeção e pelo declive da relação pressão-volume telessistólica (elastância telessistólica, ETS), mantevese preservada em ambos os grupos. Todavia, apenas o grupo ZSF1Ob apresentou disfunção diastólica, com prolongamento da constante de tempo de relaxamento isovolumétrico (tau, ) elevação das pressões telediastólicas e desvio da relação pressão-volume telediastólica. Em conformidade, também apenas neste grupo se verificou um aumento do peso dos pulmões. Embora só no grupo ZSF1Ob tenham sido observadas maior rigidez vascular e menor resposta vasodilatadora ao nitroprussiato de sódio, ambos, ZSF1Mg e Ob, apresentavam uma diminuição progressiva da resposta à acetilcolina e um aumento do diâmetro do lúmen vascular. O aumento paralelo da elastância arterial (EA) e da ETS nos grupos ZSF1Mg e Ob condicionou uma manutenção do índice de acoplamento ventrículo-vascular (rácio EA/ ETS) dentro dos limites da normalidade. CONCLUSÃO: O desenvolvimento de disfunção diastólica neste modelo experimental é precoce e afeta seletivamente o grupo ZSF1Ob, que apresenta obesidade e diabetes mellitus sobrepostos ao fenótipo hipertensivo, comum com ZSF1Mg. Este dado sugere que a 7 associação de fatores de risco é um determinante fundamental no desenvolvimento de disfunção diastólica na hipertensão arterial. 8 INTRODUÇÃO Desde o reconhecimento da associação deletéria de vários fatores de risco cardiovascular, a que mais tarde se chamaria síndrome metabólico, (23, 42) o seu estudo teve tanto de sucesso como de fracasso. Inclusivamente a designação, definição e critérios de diagnóstico deste síndrome mudaram sucessivamente ao longo do tempo, o que reflete um crescente conhecimento de vários aspetos da sua fisiopatologia. Simultaneamente, a maioria das abordagens terapêuticas que foram sendo tentadas provaram ser relativamente ineficazes em travar a crescente relevância clínica daquilo que hoje é um dos mais pesados fardos da sociedade ocidental. Em Portugal, existem alguns estudos que estimam que a prevalência do síndrome metabólico será entre 26 e 42%, de forma semelhante ao que se observa nos EUA e no resto da Europa. (18, 44, 56) O síndrome metabólico compreende uma grande variedade de características clínicas, incluindo hipertensão arterial, obesidade, dislipidemia, intolerância oral à glicose, bem como disfunção cardíaca, renal e hepática. Existe também um conjunto de alterações fisiopatológicas que está presente em quase todos os doentes, que inclui a resistência à insulina, a modificação do metabolismo lipídico e dos carbohidratos, bem como a ativação inflamatória, a disfunção endotelial e o stress oxidativo. (17) Não é contudo clara a forma como estes fatores interagem entre si ou contribuem individualmente para as lesões de órgão alvo, nomeadamente no sistema cardiovascular. (2) A insuficiência cardíaca afeta cerca de 15 milhões de habitantes na União Europeia, sendo a principal causa de hospitalização entre doentes com mais de 65 anos e a principal causa de morbilidade e mortalidade por doenças cardiovasculares. (15) Contrariamente ao que inicialmente se pensava, demonstrou-se recentemente que os doentes com ICFEP têm um prognóstico semelhante aos doentes com insuficiência cardíaca sistólica. (36) A morbilidade é igualmente elevada, com hospitalizações frequentes e um consumo de recursos significativo. 9 (48) Adicionalmente, a proporção de doentes com ICFEP tem aumentado nas últimas décadas, estimando-se que, atualmente, represente aproximadamente 50% dos casos de insuficiência cardíaca. (15) Apesar da preponderância deste conjunto de doentes, as estratégicas terapêuticas baseadas em evidência são ainda escassas, (40) pelo que o seu tratamento continua a ser largamente empírico e sintomático. Torna-se, portanto, urgente a compreensão dos mecanismos fisiopatológicos subjacentes para que seja possível o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas. Sabe-se que na génese da disfunção diastólica se encontram a remodelagem ventricular, que inclui hipertrofia cardiomiocitária, alterações da matriz extracelular e da biologia cardiomiocitária, que condicionam maior rigidez telediastólica, resistência ao enchimento ventricular e elevação da relação pressão-volume telediastólica. (20, 37) Estes fenómenos ventriculares intrínsecos explicam bem a sintomatologia congestiva dos doentes com ICFEP. Paralelamente, os doentes com ICFEP, tipicamente idosos, hipertensos, diabéticos e obesos, apresentam alterações das propriedades intrínsecas do seu sistema arterial, nomeadamente na rigidez das artérias de maior calibre. Vários determinantes para estas alterações fenotípicas foram propostos, principalmente a partir de estudos animais, incluindo alterações da geometria vascular, hipertrofia muscular lisa e alterações da matriz extracelular. (4, 43, 55) Este fenómeno traduz-se num aumento direto dos componentes pulsátil e médio da pós-carga ventricular, bem como no aumento da velocidade de transmissão da onda de pressão, o que permite que a onda refletida atinja o coração mais cedo no ciclo cardíaco, nomeadamente durante a tele-sístole, e não durante a diástole, como acontece numa situação normal. (31) As grandes consequências para o miocárdio desta sequência de eventos incluem, por um lado, a diminuição da perfusão coronária (que se faz maioritariamente durante a diástole) e por outro, um aumento do consumo de oxigénio (pelo aumento do trabalho de ejeção). (7) 16 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES 1. Disfunção vascular e pós-carga cardíaca Relativamente à função vascular, observámos um agravamento adicional da rigidez e da disfunção endotelial no grupo obeso e diabético, comparativamente com o grupo apenas hipertenso, resultados já demonstrados previamente na prática clínica. (10, 35, 50, 51, 57) Estes dois fenómenos têm provavelmente um contributo significativo para o aumento da pressão arterial sistólica e o aumento da pressão de pulso verificado nos animais do grupo ZSF Ob, ambos considerados importantes fatores de risco cardiovascular. (5, 16, 19) Estas alterações das propriedades passivas das artérias de maior calibre e da função endotelial são apresentadas frequentemente com uma evolução e uma fisiopatologia comuns. Desde muito cedo se apontou um papel dos AGE´s (advanced glycosilation endproducts) nestes dois fenómenos no contexto da diabetes mellitus tipo 2 que, por um lado, levam à acumulação de colagénio anormal e diminuem a disponibilidade de elastina na parede arterial, e, por outro, induzem stress oxidativo e sequestração de NO nas células endoteliais. (1, 58) A par da fisiopatologia comum, os dois processos parecem também influenciar-se mutuamente. Foi já sobejamente demonstrado que as células endoteliais disfuncionantes podem ser uma fonte de agentes oxidantes, mediadores inflamatórios e fatores de crescimento que podem induzir modificações na composição da matriz extracelular e na função e estrutura das células musculares lisas, que por sua vez se traduzem num aumento da rigidez arterial. (49) Mais recentemente, Peng e colaboradores sugeriram o oposto, ou seja, um aumento da rigidez arterial pode condicionar diretamente uma alteração da função endotelial, nomeadamente da sinalização mecano-bioquímica, suprimindo a ativação da via PKB-eNOS (protein kinase Bendothelial nitric oxide synthase) em resposta ao estiramento pulsátil das artérias. (38) Este achado permite avançar um mecanismo adicional pelo qual a diminuição da complacência das 17 artérias aumenta o risco cardiovascular, além dos efeitos deletérios que se observam no ventrículo pelo aumento da pós-carga. (30, 38) Adicionalmente, constatámos uma menor reatividade ao NO, uma característica importante e precoce da disfunção vascular na obesidade e na diabetes mellitus. (52) Apesar desta diminuição da reatividade vascular a vasodilatadores, o aumento da rigidez vascular e ventricular pode determinar uma grande sensibilidade da pressão arterial à administração de fármacos vasodilatadores e diuréticos in vivo, um fenómeno observado na prática clínica, em doentes com ICFEP. (45) Verificámos que a hipertensão arterial se fez acompanhar, em ambos os grupos ZSF1, de hipertrofia miocárdica, tanto na avaliação morfológica final como na histologia. No entanto, esta foi mais acentuada no grupo obeso. A diferença na resposta hipertrófica poderá dever-se à maior gravidade da hipertensão arterial nos animais obesos e diabéticos, mas seguramente também à contribuição independente da obesidade e diabetes para a resposta miocárdica hipertrófica. (3, 17) A maior incidência e gravidade da hipertensão arterial em grupos de pacientes obesos e diabéticos está amplamente descrita na literatura (21) e vários mecanismos fisiopatológicos contributivos estão relativamente bem estabelecidos, nomeadamente a hiperatividade do sistema simpático e a mediação de adipocinas. (32) Adicionalmente, as alterações miocárdicas no contexto do síndrome metabólico podem elas próprias contribuir diretamente para a variação dos valores de pressão arterial. (46) Seria, desta forma, de esperar um aumento adicional da elastância arterial, EA, (um índice fiável e consistente de pós-carga cardíaca) nos ratos do grupo ZSF1Ob em relação aos ZSF1Mg, o que não se verificou. A elastância arterial varia diretamente com a resistência vascular periférica e com a rigidez arterial, embora a sua sensibilidade para variações da primeira seja consideravelmente superior. (12) Desta forma, é de considerar que a 18 aproximação dos valores de elastância arterial nos animais dos grupos ZSF1Ob e Mg possa traduzir a variação no mesmo sentido da resistência vascular periférica, e contrariar a diminuição da complacência arterial que se observou no grupo ZSF1Ob. Uma outra variável que pode ajudar a esclarecer este achado, que, contudo, não foi avaliada diretamente no nosso trabalho, é a impedância aórtica, que é considerada o índice que melhor define o componente extrínseco (da responsabilidade da árvore arterial) da póscarga cardíaca. (26, 33, 34) O grande inconveniente desta variável, que limita muito a sua utilização prática, prende-se com o facto de representar uma função definida no domínio da frequência, ao contrário da maioria dos outros índices de performance cardíaca, que são melhor definidos no domínio do tempo. Simplificadamente, a impedância aórtica varia inversamente com o produto da complacência pela área de secção transversal do vaso em questão. (41) No presente trabalho verificamos que apesar da artéria aorta dos animais do grupo ZSF1Ob ser significativamente mais rígida (menos complacente), esta tem uma área de secção transversal significativamente maior. Daqui se especula que a impedância aórtica não tenha aumentado paralelamente com a rigidez vascular. Em conformidade, a elastância arterial, uma medida alternativa da pós-carga cardíaca que incorpora a informação dada pela impedância aórtica (12, 26, 47), também não aumentou adicionalmente no grupo ZSF1Ob. Esta conclusão é contudo limitada pela assunção de que as características intrínsecas da artéria aorta não variam ao longo do seu trajeto, ou que, alternativamente, variam em paralelo, uma vez que os estudos funcionais e histológicos foram efetuados ao nível da artéria aorta abdominal e não da artéria aorta torácica. 2. Rigidez ventricular e acoplamento ventriculo-vascular No modelo experimental estudado, vários relatos demonstraram a ausência de disfunção sistólica mesmo em fases tardias da evolução. (22, 54) Também neste modelo 19 experimental, já havia sido sugerida a ocorrência de disfunção diastólica. (22, 54) Todavia, o momento de desenvolvimento e a distinção entre ratos magros e obesos não se encontravam esclarecidos. Neste contexto, um achado que importa ressaltar é o aumento da elastância ventricular telessistólica, ETS, (o declive da relação pressão volume telessistólica) em discrepância com um outro índice de contractilidade, o trabalho cardíaco recrutável pela pré-carga, TEEPC, que se manteve inalterado. As alterações da contractilidade miocárdica intrínseca influenciam reconhecidamente a ETS e esta permite uma avaliação fidedigna de variações da contractilidade aguda, de forma relativamente independente da pós-carga e da pré-carga. (13) Contudo, outros fatores, como a geometria ventricular e a rigidez miocárdica podem determinar alterações crónicas da ETS. (8) Um valor de ETS basal elevado revela, na verdade, uma reserva contráctil atenuada, já que um aumento adicional em resposta a um inotrópico se torna pouco significativo. (25) Esta discrepância entre a ETS e outros índices clássicos de contractilidade foi já descrita em doentes com ICFEP, que podem mesmo apresentar uma diminuição de alguns índices de contractilidade, apesar da relativa manutenção da fração de ejeção e do aumento da elastância ventricular telessistólica. (8) O aumento significativo deste índice traduz nestes doentes um aumento da rigidez miocárdica, que se faz sentir durante todo o ciclo cardíaco, incluindo durante a sístole, apesar da perceção comum de que esta influência se faz sentir apenas durante a diástole. (7) Na verdade, uma diminuição da complacência diastólica, altura em que os cardiomiócitos estão relaxados, pode tornar-se ainda mais significativa durante a sístole, quando os cardiomiócitos desenvolvem ativamente tensão adicional. (13) Para a relação pressão volume telessistólica contribui assim, para além dos determinantes passivos da rigidez cardíaca, a ativação dos miofilamentos, cujas propriedades se tornam assim difíceis de avaliar através da ETS em doentes com ICFEP. O aumento da constante de rigidez ventricular diastólica  no grupo ZSF1 Ob indica que pelo menos uma 20 parte do aumento da ETS pode ser explicado por alterações nas propriedades passivas do miocárdio ventricular e não apenas por modificações na contractilidade. Paralelamente ao aumento da elastância ventricular telessistólica, observou-se um aumento da elastância arterial, EA. O rácio EA/ETS, um índice do acoplamento ventriculovascular, diminuiu significativamente nos grupos ZSF1Ob e Mg. Contudo, este rácio mantémse dentro dos valores em que se considera que o trabalho de ejeção ventricular e a eficiência metabólica são ótimos – entre 0,3 e 1,6. (7, 11, 13, 24) Este fenómeno tem sido descrito de forma consistente em doentes hipertensos (8), em idosos (8, 13) e em doentes com ICFEP, (10) e contrasta claramente com o que acontece em doentes com insuficiência cardíaca com fração de ejeção reduzida, em que o rácio EA/ETS aumenta consideravelmente, à custa da diminuição da ETS, que aqui traduz uma diminuição da capacidade contráctil que acompanha a disfunção sistólica. (45) Apesar do acoplamento ventriculo-vascular estar mantido, o que parece traduzir um mecanismo adaptativo, o aumento da rigidez vascular aumenta o custo energético da manutenção do débito cardíaco, e o aumento simultâneo da rigidez miocárdica amplifica este fenómeno deletério. (14) Um sistema cardiovascular em que o acoplamento ventriculo-vascular se mantém dentro destes valores, mas cujos seus elementos são mais complacentes, parece assim ser menos vulnerável ao stress hemodinâmico, com menos picos hipertensivos e menos momentos de hipoperfusão orgânica. (13, 14, 25, 39, 45, 59) Adicionalmente, o organismo animal não possui qualquer recetor/sensor para o trabalho cardíaco ou eficiência energética, pelo que é pouco provável que haja um mecanismo de controlo que mantenha ventrículo e sistema arterial acoplados de modo a promover a eficiência metabólica da bomba cardíaca. (47) Finalmente, apesar de classicamente se considerar que a velocidade de relaxamento miocárdico tem pouca influência na pressão ventricular telediastólica, foi demonstrado em 21 coelhos saudáveis (28) e, mais recentemente, em doentes com patologia coronária (29), que elevações extremas da pós-carga podem lentificar o relaxamento a ponto de aumentar significativamente as pressões telediastólicas. Por este mecanismo, a grande sensibilidade da pressão arterial dos doentes com ICFEP para variações do volume extracelular, administração de vasodilatadores e diuréticos pode, por si só, comprometer a função cardíaca diastólica. Estes doentes desenvolvem picos tensionais extremos durante exercícios simples como o encerramento dos punhos que podem ser suficientes para lentificar significativamente o relaxamento miocárdico e comprometer assim o enchimento ventricular. (25) Concluindo, num modelo genético de síndrome metabólico, o dos ratos ZSF1 obesos, e estudando também os seus congéneres, ZSF1 magros, que não apresentam obesidade ou diabetes mellitus, mas apenas hipertensão arterial, pudemos avaliar a contribuição relativa da hipertensão arterial, da obesidade e diabetes mellitus para o desenvolvimento de disfunção diastólica e insuficiência cardíaca diastólica. Verificámos disfunção diastólica e congestão pulmonar apenas na presença de obesidade e diabetes. Como fatores igualmente associados à obesidade e à diabetes mellitus, verificámos agravamento da rigidez vascular e da disfunção endotelial, diminuição do relaxamento vascular induzido pelo óxido nítrico e hipertrofia miocárdica mais marcada. 22 REFERÊNCIAS 1. Aronson D. Cross-linking of glycated collagen in the pathogenesis of arterial and myocardial stiffening of aging and diabetes. J Hypertens 21: 3-12, 2003. 2. 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