Cardiac cell fate control by the imidazoline I1 receptor/nischarin : application in cardiac pathology

La moxonidine, un médicament antihypertenseur sympatholytique de type imidazolinique, agit au niveau de la médulla du tronc cérébral pour diminuer la pression artérielle, suite à l’activation sélective du récepteur aux imidazolines I1 (récepteur I1, aussi nommé nischarine). Traitement avec de la moxonidine prévient le développement de l’hypertrophie du ventricule gauche chez des rats hypertendus (SHR), associé à une diminution de la synthèse et une élévation transitoire de la fragmentation d’ADN, des effets antiprolifératifs et apoptotiques. Ces effets se présentent probablement chez les fibroblastes, car l’apoptose des cardiomyocytes pourrait détériorer la fonction cardiaque. Ces effets apparaissent aussi avec des doses non hypotensives de moxonidine, suggérant l’existence d’effets cardiaques directes. Le récepteur I1 se trouvé aussi dans les tissus cardiaques; son activation ex vivo par la moxonidine stimule la libération de l’ANP, ce qui montre que les récepteurs I1 cardiaques sont fonctionnels malgré l’absence de stimulation centrale.  Sur la base de ces informations, en plus du i) rôle des peptides natriurétiques comme inhibiteurs de l’apoptose cardiaque et ii) des études qui lient le récepteur I1 avec la maintenance de la matrix extracellulaire, on propose que, à part les effets sympatholytiques centrales, les récepteurs I1 cardiaques peuvent contrôler la croissance-mort cellulaire. L’activation du récepteur I1 peut retarder la progression des cardiopathies vers la défaillance cardiaque, en inhibant des signaux mal adaptatifs de prolifération et apoptose.   Des études ont été effectuées pour : 1. Explorer les effets in vivo sur la structure et la fonction cardiaque suite au traitement avec moxonidine chez le SHR et le hamster cardiomyopathique. 2. Définir les voies de signalisation impliquées dans les changements secondaires au traitement avec moxonidine, spécifiquement sur les marqueurs inflammatoires et les voies de signalisation régulant la croissance et la survie cellulaire (MAPK et Akt).  3. Explorer les effets in vitro de la surexpression et l’activation du récepteur I1 sur la survie cellulaire dans des cellules HEK293. 4. Rechercher la localisation, régulation et implication dans la croissance-mort cellulaire du récepteur I1 in vitro (cardiomyocytes et fibroblastes), en réponse aux stimuli associés au remodelage cardiaque : norépinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α) et oxydants (H2O2).  Nos études démontrent que la moxonidine, en doses hypotensives et non-hypotensives, améliore la structure et la performance cardiaque chez le SHR par des mécanismes impliquant l’inhibition des cytokines et des voies de signalisation p38 MAPK et Akt. Chez le hamster cardiomyopathique, la moxonidine améliore la fonction cardiaque,  module la réponse inflammatoire/anti-inflammatoire et atténue la mort cellulaire et la fibrose cardiaque. Les cellules HEK293 surexprimant la nischarine survivent et prolifèrent plus en réponse à la moxonidine; cet effet est associé à l’inhibition des voies ERK, JNK et p38 MAPK. La surexpression de la nischarine protège aussi de la mort cellulaire induite par le TNF-α, l’IL-1β et le H2O2.  En outre, le récepteur I1 s’exprime dans les cardiomyocytes et fibroblastes, son activation inhibe la mort des cardiomyocytes et la prolifération des fibroblastes induite par la norépinephrine, par des effets différentiels sur les MAPK et l’Akt. Dans des conditions inflammatoires, la moxonidine/récepteur aux imidazolines I1 protège les cardiomyocytes et facilite l’élimination des myofibroblastes  par des effets contraires sur JNK, p38 MAPK et iNOS. Ces études démontrent le potentiel du récepteur I1/nischarine comme cible anti-hypertrophique et anti-fibrose à niveau cardiaque. L’identification des mécanismes cardioprotecteurs de la nischarine peut amener au développement des traitements basés sur la surexpression de la nischarine chez des patients avec hypertrophie ventriculaire. Finalement, même si l’effet antihypertenseur des agonistes du récepteur I1 centraux est salutaire, le développement de nouveaux agonistes cardiosélectifs du récepteur I1 pourrait donner des bénéfices additionnels chez des patients non hypertendus. Moxonidine, an antihypertensive sympatholytic imidazoline compound, reduces blood pressure by selective activation of non-adrenergic imidazoline I1-receptors (also known as nischarin) in brainstem medulla. Moxonidine prevents left ventricular hypertrophy development in hypertensive rats, associated with reduced cardiac DNA synthesis and early transient increase in DNA fragmentation. It is likely that the anti-proliferative and apoptotic effects occur in fibroblasts, as cardiomyocyte apoptosis may deteriorate cardiac function. The effects also occurred to sub-hypotensive doses, suggesting a blood-pressure-independent mechanism and pointing to a local cardiac action.  Imidazoline I1-receptors have been identified in cardiac tissues, and their ex vivo activation by moxonidine stimulates ANP release, demonstrating that cardiac imidazoline I1-receptors are functional without the contribution of the central nervous system.   Based on the above studies and on i) the role of natriuretic peptides in inhibition of myocardial cell apoptosis and ii) studies linking imidazoline I1-receptors to the maintenance of the extracellular matrix and PC12 cell survival, we propose that apart from centrally-mediated sympatholytic function, imidazoline I1-receptors in the heart may control cell growth and death. Activation of imidazoline receptors may delay the progression of cardiac pathologies into heart failure by inhibition of maladaptive proliferative signalling and downstream apoptotic pathways.   In order to test this hypothesis studies were performed to: 1. Explore the in vivo effects of moxonidine on cardiac structure and function in SHR and cardiomyopathic hamsters.  2. Define the pathways involved in the observed changes following moxonidine treatment, specifically, on inflammatory markers and pathways involved in LVH and cardiac cell survival/death (MAPK and Akt). 3. Explore in vitro the effect of imidazoline I1-receptor activation by moxonidine, on cell survival by over-expressing nischarin in HEK293 cells, to circumvent the lack of specific imidazoline I1-receptor agonists and antagonists. 4. Investigate in vitro, imidazoline I1-receptor localization (cardiomyocytes and fibroblasts), regulation and implication in cell growth/death in response to cardiac remodelling-associated stimuli: norepinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α), and oxidants (H2O2). The studies reveal that hypotensive and sub-hypotensive concentrations of moxonidine improve cardiac structure and performance in SHR by mechanisms that involve inhibition of cytokines, p38MAPK, and Akt signalling pathways. In cardiomyopathic hamsters moxonidine improves cardiac performance, in association with differential inflammatory/anti-inflammatory responses that culminate in attenuated cardiomyocyte death and fibrosis and altered collagen type expression. HEK293 cells, transfected with nischarin cDNA, show increased viability/proliferation in response to moxonidine. The overall survival response is associated with moxonidine’s inhibition of ERK, JNK, and p38MAPK. Nischarin also opposes the reduced cell viability in response to oxidative stimuli (TNF-α, IL-1β and H2O2), with differential responses to moxonidine.  Furthermore, the imidazoline I1-receptor is expressed in cardiac fibroblasts and myocytes and its activation inhibits norepinephrine-induced cardiomyocyte death and fibroblast proliferation, through differential effects on MAPKs and Akt. Moxonidine/imidazoline I1-receptor protects cardiomyocytes and facilitates elimination of myofibroblasts in inflammatory conditions, through opposite effects on JNK, p38MAPK and iNOS activity.  These studies emphasize the potential importance of imidazoline I1-receptor/nischarin as an anti-hypertrophic and anti-fibrotic target. Identification of the cardio-protective mechanisms of cardiac nischarin could result in specifically-tailored cell/gene-driven nischarin treatments, which could be important for patients with heart disease. Also, while the antihypertensive action of centrally acting compounds is appreciated, new cardiac-selective I1-receptor agonists may confer additional benefit.

Keyphrases: Récepteur aux imidazolines I1, Hypertrophie du ventricule gauche, Moxonidine, Défaillance cardiaque, Cardiomyocyte, Fibroblaste, HEK293, Norépinephrine, Cytokines, Fibroblast, Moxonidine, Hypertension, Cardiomyocyte, HEK293, Cytokines, Imidazoline I1-receptor, Left ventricular hypertrophy, Heart failure, Fibroblast, Norepinephrine