The Roles of cell death on heart pathologies after Cardiac Ischemia/Reperfusion injury in rats

บทบาทของตัวยับยั้งการตายของเซลล์ต่อการเกิดพยาธิสภาพในหัวใจ ภายหลังการเกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดมาหล่อเลี้ยง

Name: Luo, Ying

LCSH: Acute myocardial infarction

LCSH: Coronary heart disease

LCSH: Coronary arteries

LCSH: Heart -- Bolld-vessels

Abstract: Acute myocardial infarction (AMI) is the leading cause of mortality worldwide. Coronary artery occlusion is known as the common cause of myocardial ischemia. The timely restore blood supply for the ischemic region is the most effective treatment strategy. Unfortunately, ischemia/reperfusion (I/R) injury subsequent causes further damage to the ischemic myocardium, leading to an expansion of myocardial infarction and cardiac dysfunction. Therefore, reperfusion injury substantially impacts the survival and prognosis of AMI patients who have accepted reperfusion therapy. The magnitude of the myocardial infarction is mainly determined by the severity of cell death. The growing evidence suggest that various forms of cell death are involved in cardiac I/R injury including apoptosis, necroptosis, and ferroptosis. Furthermore, inhibitors of apoptosis, necroptosis, and ferroptosis have been demonstrated the protective effects against several cardiovascular disorders. However, the extent to which the impact contribution of each cell death pathway in the pathogenesis of cardiac I/R injury is unclear. To elucidate the different significance of each cell death mode in the same cardiac I/R injury setting is beneficial to discover an ideal cardioprotective strategy against I/R injury. In the present study, we hypothesized that 1) apoptosis, necroptosis, and ferroptosis are involved in the pathogenesis of cardiac I/R injury with varying significant contributions. 2) Inhibitors of apoptosis, necroptosis, and ferroptosis provide different degrees of cardioprotection against cardiac I/R injury by reducing cardiac inflammation, mitochondrial dysfunction, and cell death. 3) Combined apoptosis and ferroptosis inhibitors reduced cardiac I/R injury better than a single regimen by attenuating inflammation, mitochondrial dysfunction, and cell death. To test the first and second hypothesis, one hundred and twenty-six male Wistar rats were subjected to sham or cardiac I/R operation. Rats in the I/R group were divided into vehicle and apoptosis inhibitor (Z-vad), necroptosis inhibitor (Nec-1), and ferroptosis inhibitor (Fer-1). Rats in each treatment group were subdivided into low, medium, and high dose regimens. All treatments were given to the rats via intravenous injection 15 min before ischemia. The left anterior descending (LAD) coronary artery was ligated to induce ischemia for 30 min, followed by 120-min reperfusion. During the I/R protocol, left ventricular (LV) function and arrhythmia parameters were measured. After I/R protocol, the rats were sacrificed and the heart was used to determine myocardial infarct size, mitochondrial function, mitochondrial dynamics, cardiac inflammation, and cell death pathway of apoptosis, necroptosis, and ferroptosis. Our results showed that cardiac I/R injury caused cardiac inflammation, mitochondrial damage, apoptosis, and ferroptosis cell death, leading to arrhythmia, myocardial infarction, and LV dysfunction. Furthermore, myocardial infarct size, LV dysfunction, and mitochondrial dysfunction were reduced after treatment with low and medium dose of Z-vad, medium and high dose of Fer-1. Fer-1 attenuated cardiac inflammation and mitochondrial dynamics imbalance. Moreover, Z-vad and Fer-1 suppressed apoptosis, while a high dose of Z-vad, and medium and high doses of Fer-1 reduced ferroptosis. Additionally, necroptosis did not occur in our cardiac I/R setting, and Nec-1 had no cardioprotective benefits in the current cardiac I/R model although it could reduce cardiac inflammation during cardiac I/R injury. All cell death inhibitor did not diminish cardiac arrhythmias. Thus, these results demonstrated that apoptosis and ferroptosis play a significant role during cardiac I/R injury in rats. To test the third hypothesis, fifty-four male Wistar rats weighing 400-500 g were received a combined apoptosis and ferroptosis inhibitor. For the combined treatment, Z- vad (medium dose) and Fer-1 (medium dose) was chosen. The treatment was given to the rats 15 min before ischemia through intravenous injection, then the rats were subjected to 30 min of cardiac ischemia and 120 min of reperfusion. Myocardial infarct size, mitochondrial function, mitochondrial dynamics, inflammation, cell death pathways were evaluated after the cardiac I/R protocol. Medium dose of Z-vad and Fer-1, and the combined treatment improved LV function and reduced infarct size, decreased mitochondrial ROS levels and mitochondrial membrane depolarization. Moreover, medium dose of Fer-1 and combined treatment attenuated mitochondrial swelling, mitochondrial dynamic imbalance, and cardiac inflammation. Apoptotic proteins and ferroptotic proteins expression levels were also reduced in all treatment groups. The combined treatment did not show a superior advantage than the single treatment. In summary apoptosis and ferroptosis are the significant modes of cell death associated with the pathogenesis of acute cardiac I/R injury. Inhibitors of apoptosis, necroptosis, and ferroptosis provide different degrees of cardioprotection against cardiac I/R injury. Inhibitors of either apoptosis or ferroptosis similarly alleviated cardiac mitochondrial dysfunction, reduced apoptosis and ferroptosis, resulting in decreased infarct size led to improved LV function in rats with cardiac I/R injury. Ferroptosis inhibitor restored the balance of mitochondrial dynamics. Necroptosis inhibitor attenuated cardiac inflammation, but not cardioprotection effect.

Abstract: ภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดเฉียบพลันเป็นสาเหตุของการเสียชีวิตอันดับต้นๆ ของประชา กรทั่วโลก ซึ่งการอุดตันของหลอดเลือดโคโรนารีนั้นเป็นสาเหตุที่พบได้บ่อย อันก่อให้เกิดภาวะกล้าม เนื้อหัวใจขาดเลือด การรักษาเพื่อนำเลือดกลับมาหล่อเลี้ยงในบริเวณที่กล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดเป็นจึง กลยุทธ์การรักษาที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด อย่างไรก็ตามการรักษาเพื่อนำเลือดกลับมาเลี้ยงกล้ามเนื้อ หัวใจภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือด มักจะเกิดการบาดเจ็บที่เรียกว่าการบาคเจ็บภายหลังภาวะ กล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ซึ่งจะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่อ บริเวณกล้ามเนื้อหัวใจที่ขาดเลือด และนำไปสู่การเกิดความเสื่อมสมรรถภาพการทำงานของหัวใจในที่ สุด ดังนั้นการรักษาด้วยการนำเลือดกลับมาเลี้ยงกล้ามเนื้อหัวใจภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาด เลือดจึงส่งผลกระทบรุนแรงอย่างมากต่อผู้ป่วยหลังจากการ ได้รับการรักษาดังกล่าว ขนาดของกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดนั้นอาจขึ้นอยู่กับการตายของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจในรูป แบบต่างๆ โดยมีการศึกษาก่อนหน้าได้รายงานว่าการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทซิส เนครอป โทซิส และเฟอรอพโทซิสถูกพบในกล้ามเนื้อหัวใจที่เกิดการบาคเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจ ขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ ยิ่งไปกว่านั้นพบว่าการให้ตัวยับยั้งการตายของเซลล์รูปแบบ อะพอพโทซิส เนครอปโทซิส และเฟอรอปโทชิส ช่วยป้องกันการเกิดโรคหัวใจและหลอดเลือดได้อีก ด้วย แต่อย่างไรก็ตามลักษณะการตายของเซลล์รูปแบบต่างๆ จากการบาดเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อ หัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ยังไม่เป็นที่ทราบอย่างแน่ชัด โดยในการศึกษาครั้งนี้จะทำ การทดสอบการตายของเซลล์รูปแบบต่างๆ ในกล้ามเนื้อหัวใจที่บาดเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจ ขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ เพื่อเป็นการค้นพบที่เกิดประโยชน์ต่อแนวทางการรักษา ในอนาคต ในการศึกษาครั้งนี้จะทำการทดสอบสมมติฐานดังนี้ 1) การตายของเซลล์รูปแบบอะพอพ โทชิส เนครอปโทชิส และเฟอรอพโทซิสถูกพบในกล้ามเนื้อหัวใจบาดเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัว ใจขาคเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ ซึ่งส่งผลต่อการเกิดพยาธิสภาพการทำงานของหัวใจ 2) ตัวยับยั้งการตายของเซลล์ในรูปแบบอะพอพโทชิส (Z -vad) เนครอปโทชิส (Nec-1) และเฟอรอพ โทซิส (F e r- 1) ในการช่วยป้องกันการเกิดการบาดเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมี เลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ โดยผ่านการลดลงของการอักเสบกล้ามเนื้อหัวใจ การลดลงของการเสื่อม ประสิทธิภาพการทำงานของไมโทคอนเรียในหัวใจ และการลดลงของการตายของเซลล์ในรูปแบบ ต่างๆ 3) การรักษา ด้วยตัวยับยั้งการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทซิสร่วมกับตัวยับยั้งการตาย ของเซลล์รูปแบบเฟอรอพโทชิสช่วยลดการบาดเจ็บภายหลังภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือด กลับมาเลี้ยงใหม่ได้ดียิ่งกว่าการรักษาแบบให้ตัวยับยั้งเดี่ยว โดยผ่านการลดลงของการอักเสบกล้ามเนื้อ หัวใจ การลดลงของการเสื่อมสมรรถภาพการทำงานของไมโทคอนเดรียในหัวใจ และการลดลงของ การตายของเซลล์ในรูปแบบต่างๆ โดยตัวยับยั้งการตายดังกล่าวจะถูกแบ่งที่ขนาดต่างกัน ได้แก่ ขนาดต่ำ ขนาดกลาง และขนาดสูง โคยการรักษาทั้งหมดจะถูกให้เป็นเวลา 15 นาทีก่อนผ่าตัดเหนี่ยวนำ ให้เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือด การเหนี่ยวนำนั้นถูกทำโดยหลอดเลือด left anterior descending (LAD) coronary artery จะถูกมัดเป็นเวลา 30 นาที จากนั้นจะทำการคลายปมเพื่อทำให้เลือดกลับ มาหล่อเลี้ยงหัวใจเป็นเวลา 20 นาที ระหว่างการทดลอง หนูจะถูกตรวจประเมินการทำงานของหัวใจ และคลื่นไฟฟ้าหัวใจ และเมื่อสิ้นสุดการทดลอง หัวใจของหนูเหล่านั้นถูกนำออกมาศึกษาขนาด บริเวณกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือด การทำงานของไมโทคอนเครียในหัวใจ การเปลี่ยนแปลงไคนามิก ของไมโทคอนเครียในหัวใจ การอักเสบของกล้ามเนื้อหัวใจ รวมถึงการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโ ทชิส เนครอปโทชิส และเฟอรอพโทชิสในกล้ามเนื้อหัวใจ ผลการศึกษาพบว่าหนูมีการบาดเจ็บของหัวใจ วใจหลังจากการถูกเหนี่ยวนำให้เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ โคยมีก ารอักเสบของกล้ามเนื้อหัวใจ มีความเสื่อมสมรรถภาพการทำงานของไมโทคอนเดรียของหัวใจ รวมถึ งมีการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทชิส และเฟอรอพโทชิสในหัวใจ นำไปสู่การเกิดกล้ามเนื้อ หัวใจขาดเลือด การทำงานของหัวใจและคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่ผิดปกติ ซึ่งบริเวณการเกิดกล้ามเนื้อหัวใจ ขาดเลือด การทำงานของหัวใจที่ผิดปกติ และความเสื่อมสมรรถภาพการทำงานของไมโทคอนเดรียขอ งหัวใจถูกลดลงเมื่อรักษาด้วย Z -vad (ขนากต่ำ และขนาดกลาง) และ Fer-1 (ขนาคกลาง และขนาคสูง) และพบว่า Fer-1 ช่วยลดการอักเสบของหัวใจ และปรับสมดุลไดนามิกของไมโทคอนเดรีย ยิ่งไปกว่า นั้น Z -vad และ Fer-1 ช่วยลดการเกิดการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทชิส ในขณะที่ Z -vad (ขนาด สูง) และ F e r - 1 (ขนาดกลาง และขนาดสูง)ช่วยลดการคายของเซลล์รูปแเบบ เฟอรอพโทซิส นอกจากนี้ยังพบอีกว่าการตายของเซลล์รูปแบบเนครอปโทซิสไม่เกิดขึ้นจากการถูก เหนี่ยวนำให้เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดเล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ และ Ne c -1 ไม่สามารถ ช่วยป้องการเกิดพยาธิสภาพต่างๆ จากภาวะดังกล่าว ถึงแม้ว่าผลของ Ne c-1 จะช่วยลดการอักเสบ ของหัวใจในภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดก็ตาม ยิ่งไปกว่านั้นพบว่าตัวยับยั้งการตายของเซลล์รูปแบ บต่างๆ ไม่ได้ช่วยลดคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่ผิดปกติ ผลการทคลองดังกล่าวจึงสรุปได้ว่าการตายของเซลล์ รูปแบบอะพอพโทซิสและเฟอรอพโทชิสมีผลต่อการเกิดพยาธิสภาพของการเกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจ ขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ 3 หนูขาวเพศผู้จำนวนทั้งสิ้น 54 ตัว น้ำหนัก (400-500 กรัม) จะได้รับการรักษาด้วยตัวยับยั้งการตายของเซลล์แบบอะพอพโทชิสร่วมกับตัวยับยั้งการตายของเซลล์ แบบเฟอรอพโทชิส สำหรับตัวยับยั้งทั้งสองตัวนี้ (Z -vad และ Fer-1) จะถูกเลือกที่ขนาดกลาง โดยการ รักษาจะถูกให้เป็นเวลา 15 นาทีก่อนผ่าตัดเหนี่ยวนำ ให้เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือด การเหนี่ยวนำนั้นถูกทำโคยหลอดเลือด LAD จะถูกมัดเป็นเวลา 30 นาที จากนั้นจะทำการคลายปม เพื่อทำให้เลือดกลับมาหล่อเลี้ยงหัวใจเป็นเวลา 120 นาที หลังจากนั้นขนาดบริเวณกล้ามเนื้อหัวใจขาด เลือด การทำงานของไมโทคอนเดรียในหัวใจ การเปลี่ยนแปลงไดนามิกของไมโทคอนเดรียในหัวใจ ระดับการอักเสบของกล้ามเนื้อหัวใจ รวมถึงการตายของเซลล์ต่างๆ ในกล้ามเนื้อหัวใจจะถูกศึกษาต่อ ผลการศึกษาพบว่า Z-vad และ Fer-1 (ขนาคกลาง) และการรักษาร่วมกันของ Z-vad และ Fer-1 ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของหัวใจ ลดขนาคบริเวณกล้ามเนื้อหัวใจขาคเลือด ลดระดับความ เครียดออกซิเดชั่นของไมโทคอนเดรีย และลดความเสื่อมประสิทธิภาพของเยื้อหุ้มไมโทคอนเดรีย ยิ่งไปกว่านั้นพบว่า Fer-1 (ขนาดกลาง) และการรักษาร่วมกันของ Z-vad และ Fer-1 ลดการบวมของ ไมโทคอนเดรีย ปรับสมดุลไดนามิกของไมโทคอนเดรีย และลดการอักเสบของกล้ามเนื้อหัวใจ นอกจากนี้การแสดงของออกโปรตีนการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทชิสและเฟอรอพโทซิสถูก ลดลงในขนาคที่เท่ากันในการรักษาทุกกลุ่ม จึงนำมาสู่บทสรุปของวิทยานิพนธ์นี้ที่ว่าการตายของเซลล์รูปแบบอะพอพโทชิสและเฟอรอพ โทซิสมีความสำคัญในการก่อให้เกิดพยาธิสภาพของหัวใจในภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดเแล้วมี เลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ ตัวยับยั้งการดายของเซลล์รูปแบบต่างๆ ให้ผลที่แตกต่างกันออกไปในการป้อง กันการเกิดการบาคเจ็บจากภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาคเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ โคยที่ตัวยับยั้ง การตายของเซลล์รูปแเบบอะพอพโทซิสและเฟอรอพ โทซิสให้ผลการที่คล้ายคลึงกัน โดยลดการความ เสื่อมสรรถภาพการทำงานของไมโทคอนเดรีย ลดการตายของเซลล์แบบอะพอพโทซิส และ เฟอรอพ โทซิส นำไปสู่ลดขนาคบริเวณกล้ามเนื้อหัวใจขาคเลือดและลดการทำงานของหัวใจที่ผิดปกติในหนูที่ ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ ยิ่งไปกว่านั้นตัวยับยั้ง การตายของเซลล์รูปแบบเฟอรอพโทชิสช่วยปรับสมดุลไดนามิกของไมโทคอนเดรีย อย่างไรก็ตามตัว ขับยั้งการตายของเซลล์รูปแบบเนครอปโทชิสช่วยลดการอักเสบของกล้ามเนื้อหัวใจ แต่ยังไม่สามารถ ช่วยป้องกันการบาลเจ็บจากการเกิดกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดแล้วมีเลือดกลับมาเลี้ยงใหม่ได้

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Nipon Chattipakorn

Role: Advisor

Name: Arintaya Phrommintikul

Role: Advisor

Name: Nattayaporn Apaijai

Role: Advisor

Created: 2022

Modified: 2024-01-06

Issued: 2023-12-11

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physiology

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620755809.pdf	3.29 MB

ใช้เวลา

0.030268 วินาที