Mitochondrial ROS formation catalyzed by monoamine oxidase is causally related to inflammation, fibrosis and diastolic dysfunction in type 1 diabetic hearts

Le malattie cardiovascolari sono le principali cause di morte tra i pazienti diabetici. Tra i vari meccanismi che contribuiscono allo sviluppo della cardiomiopatia diabetica, lo stress ossidativo ha ricevuto un’attenzione clinica e sperimentale significativa. Tuttavia, l’uso di terapie antiossidanti in studi clinici su larga scala è risultato inefficace nel trattamento di questi disturbi patologici. Nel complesso, questi studi indicano una reale necessità di sviluppare strategie terapeutiche volte a inibire specifiche fonti di specie reattive dell'ossigeno (ROS). Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare il ruolo delle monoammino ossidasi (MAO), enzimi mitocondriali localizzati nella membrana esterna, nello stress ossidativo e nella disfunzione mitocondriale in cardiomiociti esposti ad elevate concentrazione di glucosio (in vitro) ed il loro contributo in vivo nei danni cardiaci in un modello di T1D. Inizialmente, abbiamo valutato la formazione di ROS e la funzione mitocondriale in cardiomiociti primari trattati con alti livelli di glucosio (HG) e/o interleuchina-1β (IL-1β), una citochina pro-infiammatoria presente in livelli elevati in pazienti diabetici. Le cellule esposte a questi stimoli mostrano un aumento della formazione di ROS, accompagnata da disfunzione mitocondriale, come determinato dal minore potenziale di membrana mitocondriale. La pargilina, un inibitore MAO, previene completamente queste alterazioni, suggerendo che HG e IL-1β inducano la formazione di ROS e le disfunzione mitocondriale MAO-dipendente. Inoltre, per valutare se l’attività della MAO sia coinvolta nell’interazione tra i mitocondri ed il reticolo endoplasmatico (ER) e se possa determinare l’attivazione del’Unfolded Protein Response (UPR), in questo modello abbiamo misurato marcatori di stress dell’ER. È interessante notare come, in cardiomiociti adulti, l'espressione della proteina transcription factor 4 (ATF4), della growth arrest and DNA damage-inducible protein (GADD34), 78 kDa glucose-regulated protein (GRP78) e i livelli di fosforillazione di IRE1α (inositol-requiring enzyme 1α) siano significativamente elevati, il che dimostra la chiara presenza di stress del reticolo (ER). La somministrazione di pargilina previene e blocca queste alterazioni, suggerendo che MAO sia coinvolto nel processo di UPR indotto dalla combinazione di alto glucosio e IL-1β. Inoltre questi dati suggeriscono che, almeno in queste condizioni, la formazione di ROS MAO-dipendente è a monte dello stress del reticolo (ER) e svolge un ruolo importante nell’interazione tra mitocondri, infiammazione del reticolo in cardiomiociti esposti a condizioni simulanti il diabete. Dato il coinvolgimento della MAO nel danno cellulare causato da HG e IL-1β, abbiamo valutato il suo ruolo nella disfunzione cardiaca in modelli murini di diabete di tipo 1 (T1D) indotta da trattamento con streptozotocina (STZ). La rigidità diastolica, un indice di disfunzione diastolica, era significativamente aumentata nei topi STZ, mentre la frazione di eiezione, un indice di funzione sistolica, è rimasta invariata. Inoltre, i marcatori di stress ossidativo (4-idrossinonenale) e UPR (ATF4 e GADD34) sono risultati significativamente aumentati nei cuori STZ rispetto al controllo. È importante sottolineare come i topi diabetici trattati con la pargilina, inibitore specifico per MAO, abbiano mostrato una funzione diastolica preservata e l’assenza di stress ossidativo e dell’ ER. In accordo con studi precedenti dove si dimostra come la fibrosi è una delle caratteristiche principali nella cardiomiopatia diabetica, i cuori dei topi diabetici evidenziano una maggiore deposizione di collagene. È interessante notare che la somministrazione di pargilina ha impedito questa alterazione, suggerendo che l'attività MAO rivesta un ruolo cruciale nella progressione della fibrosi in questi animali. Al fine di determinare se la fibrosi MAO-mediata sia dovuta al rilascio di fattori pro-infiammatori e pro-fibrotici da mastociti cardiaci, abbiamo valutato la loro degranulazione. Abbiamo osservato che, la degranulazione dei mastociti è aumentata di quasi 2 volte nei cuori diabetici rispetto ai topi di controllo. L’inibizione MAO ha completamente bloccato l'attivazione dei mastociti nei topi diabetici. Questi dati indicano un ruolo completamente nuovo di questi flavoenzimi nell'attivare mastociti cardiaci alla base del rimodellamento della matrice extracellulare, nella fibrosi e in ultima analisi, nella disfunzione del ventricolo sinistro (LV) in T1D. Complessivamente, questi risultati dimostrano non solo come le MAO contribuisca alla formazione di ROS e alla disfunzione mitocondriale indotta da HG e dall’infiammazione, ma anche che queste specie reattive perturbano la funzione dell’ER e portano all’attivazione dell’UPR. Inoltre, abbiamo dimostrato come questi flavoenzimi svolgano un ruolo importante nella formazione di un circolo vizioso tra stress ossidativo e infiammazione, che è probabilmente la causa della fibrosi cardiaca e della disfunzione diastolica ventricolare sinistra nei topi diabetici. Gli inibitori MAO sono clinicamente disponibili e vengono utilizzati per il trattamento di diverse malattie neurologiche e neurodegenerative. I risultati del nostro studio suggeriscono come l'inibizione MAO potrebbe essere una strategia terapeutica promettente anche per il trattamento delle complicazioni cardiovascolari nel diabete.