Bioenergetische Effekte von Levosimendan und Omecamtiv Mecarbil in Meerschweinchen-Kardiomyozyten

Abstract

Hintergrund: Der kardiogene Schock ist ein ungelöstes medizinisches Problem. Positiv inotrope Medikamente (insb. Katecholamine) erhöhen die Mortalität bei Patienten mit akuter Herzinsuffizienz. Zugrunde liegen v.a. proarrhythmische Effekte und erhöhter Sauerstoffverbrauch. Levosimendan war ursprünglich als Ca2+-Sensitizer der Klasse II (s. 2.3.4 Levosimendan) kategorisiert, der die Kontraktionskraft ohne Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration, mit marginaler Phosphodiesterasen 3 (PDE3)-Inhibition, verstärkt. Andere Quellen sehen die PDE3-Inhibition als tragenden Mechanismus, was bei akuter Herzinsuffizienz eine negative Eigenschaft ist, da es über den b-adrenergen Signalweg pro-hypertrophe, pro-apoptotische und pro- arrhythmische Effekte wie z.B. Adrenalin induziert. Im Gegensatz dazu verstärkt Omecamtiv Mecarbil, ein Myosinaktivator, die kardiale Pumpfunktion von Hunden mit Herzinsuffizienz, ohne den Sauerstoffbedarf zu erhöhen. In Menschen verbessert Omecamtiv Mecarbil das Herzzeitvolumen und neigt dazu, die Symptome bei akuter Herzinsuffizienz abzuschwächen. In früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe zeigte der pure Ca2+-Sensitizer EMD-57033, dass durch die Erhöhung der Calcium-Affinität der Myofilamente die systolische Kontraktionskraft erhöht wird, allerdings der mitochondriale Redoxstatus von NAD(P)H und FADH2 oxidiert wird, sowie die Emission von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erhöht wird. In der vorliegenden Arbeit werden die bioenergetischen Eigenschaften von Levo im Vergleich mit OM in Meerschweinchen-Kardiomyozyten evaluiert. Methoden und Ergebnisse: In vorausgehenden Untersuchungen an Maus- Kardiomyozyten wurde festgestellt, dass der pure Ca2+-Sensitizer EMD-57033 die systolische Sarkomerverkürzung auf Kosten der diastolischen Länge verstärkt. Dies war assoziiert mit einer Oxidation des Redoxstatus von NAD(P)H und FAD, was mit einem Ungleichgewicht zwischen ADP-induzierter Oxidation und Calcium-vermittelter Reduktion und daraus folgender Erhöhung der mitochondrialen ROS-Emission zu erklären ist. In dieser Versuchsreihe wurden Kardiomyozyten aus Meerschweinchen isoliert und einer Feldstimulation von 1 Hz bei 37 °C ausgesetzt. Bei alleiniger Applikation hatte Levosimendan (bis zu 10 μM) nur einen geringen Effekt auf die systolische Sarkomerverkürzung, die diastolische Spannung und den NAD(P)H/FADRedoxstatus. Die Präinkubation der Kardiomyozyten mit dem b-adrenergen Agonisten Isoprenalin (in einer 1 nM Konzentration), die allein keinen Effekt auf die Sarkomerverkürzung hatte, erhöhte die Potenz und Effektivität des Effektes von Levosimendan auf die Sarkomerverkürzung. Der Redoxstatus von NADH(P)H und FAD wurde hierbei nicht beeinflusst. Omecamtiv Mecarbil verlängerte konzentrationsabhängig (0.01-30 μM) die Zeit zur maximalen Zellverkürzung. Dies ging einher mit einer Erhöhung der diastolischen Spannung bei Verstärkung der systolischen Sarkomerverkürzung (Optimum bei 3 μM). Im Gegensatz zu mit Levosimendan behandelten Kardiomyozyten, ließ sich die diastolische Dysfunktion nicht durch Isoprenalin verbessern. Es zeigten sich bei Kombination von OM [1 μM] oder [3 μM] mit Isoprenalin in > 50 % der Fälle zelluläre Arrhythmien. Trotz Erhöhung der diastolischen Spannung verlieb der Redoxstatus von NAD(P)H/ FAD stabil. Zusammenfassung: Die Steigerung der Sarkomerverkürzung durch Levosimendan in der Gegenwart einer geringen β-adrenergen Stimulation ist am ehesten durch eine PDE3-Inhibition zu erklären, während der Ca2+-sensibilisierende Effekt in der Abwesenheit von β-adrenerger Stimulation gering ausgeprägt ist. Omecamtiv Mecarbil induziert neben der erwünschten Verlängerung der systolischen Sarkomerverkürzung eine Erhöhung der diastolischen Spannung. Kombiniert man Omecamtiv Mecarbil mitb-adrenerger Stimulation, zeigen sich proarrhythmische Effekte. Diese Daten könnten den gelegentlichen Troponinanstieg bei Patienten während der Behandlung mit Omecamtiv Mecarbil erklären, unabhängig vom vermuteten, negativen Einfluss auf die Koronarperfusion. Zusammenfassend lassen sich Levosimendan unerwünschte Wirkungen wie proarrhythmische Effekte zuordnen, die durch die Folgen der Aktivierung des b-adrenergen Signalwegs resultieren. Omecamtiv Mecarbil verbessert innerhalb der therapeutischen Breite die systolische Funktion und stellt ein vielversprechendes Präparat zur Behandlung der Herzinsuffizienz dar. Bei höherer Dosierung induziert Omecamtiv Mecarbil eine diastolische Dysfunktion mit gegenteiligen Effekten.

Background: Cardiogenic shock is an unmet clinical need, since current inotropic drugs (e.g., catecholamines) increase mortality in patients with acute heart failure. As underlying reasons, pro-arrhythmic effects and elevated oxygen consumption of catecholamines have been put forward. Levosimendan (was originally considered a calcium-sensitizer class II that elevates contractile force without increasing intracellular Ca2+ and a minor effect on the phosphodiesterases (PDE3s), while other reports suggested that Levosimendan inhibits mainly PDE3s, a property deemed adverse in heart failure. In contrast, Omecamtiv Mecarbil is a myosin activator that prolongs cardiac contraction without elevating oxygen consumption in dogs with heart failure. We have recently discovered that increasing Ca2+ affinity of myofilaments with a pure Ca-sensitizer increased systolic force development but oxidized mitochondrial NAD(P)H and FADH and increased the emission of reactive oxygen species. Here, we evaluated the bioenergetic (redox) properties of Levosimendan and Omecamtiv Mecarbil in guinea-pig cardiac myocytes. Methods and results: In earlier experiments of the working group on isolated murine cardiac myocytes, the pure calcium-sensitizer EMD-57033 increased systolic shortening, but at the cost of an increase in diastolic sarcomere length. This was associated with an oxidation of the redox states of NAD(P)H and FAD, which could be explained by a mismatch between sarcomere-induced oxidation and Ca2+-induced reduction of NAD(P)H/FAD redox states, elevating mitochondrial ROS emission. In the present work, cardiac myocytes were isolated from guinea pig hearts and field- stimulated at 1 Hz and 37 °C. Levosimendan (up to 10 μM) had overall minimal effects on sarcomere shortening, diastolic tension and NAD(P)H/ FAD redox states. However, the concentration-dependent increase of sarcomere shortening was shifted to the left (increased potency) and its maximal effect became potentiated (increased efficacy) by pre-incubation of cardiac myocytes with a sub-threshold concentration of isoproterenol (1 nM). Under all conditions, the redox states of NAD(P)H and FAD remained stable in response to Levosimendan (with or without isoproterenol). Omecamtiv Mecarbil substantially prolonged the time to peak of cell shortening in a concentration- dependent manner (0.01-30 μM). This was associated with an increase in diastolic tension but and increases in systolic sarcomere shortening (optimum at 3 μM). In contrast, isoproterenol did not ameliorate diastolic dysfunction in Omecamtiv Mecarbil- treated myocytes, but provoked arrhythmias in >50% of cases when combined with 1 or 3 μM Omecamtiv Mecarbil. Despite the substantial increase in diastolic tension, the redox states of NAD(P)H/ FAD remained stable, in agreement with the previously reported unchanged oxygen consumption. Conclusions: Levosimendan does not behave as a calcium-sensitizer, but rather as a PDE3-inhibitor, since its stimulating effect on sarcomere shortening becomes apparent only after beta-adrenergic prestimulation. In contrast, Omecamtiv Mecarbil induces diastolic dysfunction rather than increasing sarcomere shortening, however, the prolongation of systolic sarcomere shortening came at no elevated oxygen demand. Combining Omecamtiv Mecarbil with β-adrenergic stimulation was pro-arrhythmic. These data may explain occasional increases in troponin in patients treated with Omecamtiv Mecarbil independent of the so far suspected negative impact on coronary perfusion. Together, while the PDE3-inhibiting effects of Levosimendan may predispose to arrhythmias, Omecamtiv Mecarbil may induce diastolic dysfunction at concentrations that reasonably affect systolic sarcomere shortening.