Therapeutic Targeting of Cardiac PI3K-AKT Signaling

Abstract

Therapeutic Targeting of Cardiac PI3K-AKT Signaling: Cardiac diseases (CVD) are by far the main cause of death in humans and the prognosis for cardiac patients remains unacceptably poor, which calls for development of novel pharmacological therapies. In this regard, previous studies demonstrated that transgenic animals with overactivation of cardiac PI3K-AKT cascade display reduced infarct size after ischemia and genetic disruption of PI3K-AKT signaling accelerates the development of heart failure and impedes the cardiac benefits promoted by exercise. While evidence from transgenic animals suggests an important role for PI3K-AKT in the heart, it is unknown whether targeted activation of PI3K-AKT signaling with therapeutically relevant strategies evokes cardioprotection after ischemia or mimics the benefits of exercise in the heart. Therefore, the translation of this knowledge into the clinic requires further investigation on molecular targeting approaches with clear therapeutic potential. Considering these points, the goals of the studies comprising this thesis were: (Paper I) to verify whether protein kinase AKT is activated in the human heart by a cardioprotective intervention, remote ischemic preconditioning (RIPC); (Paper II) to test whether a small molecule activator of AKT reduces infarct size after ischemia; (Paper III) to evaluate the effects of cardiac-specific PI3K gene therapy on mitochondrial function, cardiac function and aerobic capacity (VO2max) in a rat model artificially selected for low aerobic running capacity. In study I we demonstrated that RIPC activates protein kinase AKT in the left ventricle of patients undergoing coronary artery bypass graft surgery. AKT was substantially activated by RIPC before the onset of ischemia (aortic clamping), which induced phosphorylation of AKT-specific targets at reperfusion, suggesting that AKT is relevant for cardioprotection in humans. AKT activation was also associated with preserved mitochondrial function in RIPC group, as compared to control. In study II we showed that the small molecule SC79 activates cardiac AKT within 30min. Surprisingly, activation of AKT by SC79 either before or after ischemia, in low or high doses, was not sufficient to rescue myocardium ATP levels or reduce infarct size. Finally, in study III we found that PI3K-AKT signaling is deactivated in the heart of rats with inherited low aerobic capacity, which was accompanied by mitochondrial dysfunction and impaired cardiomyocyte function. We used clinical trial-like gene therapy with a cardiotropic adeno-associated virus (AAV9) to transfect PI3K in this animal model, and assessed mitochondrial function, cardiac function and VO2max. Despite inducing an efficient transfection, AAV9 carrying PI3K did not improve cardiac function, mitochondrial function or VO2max in our animal model. We conclude that although PI3K-AKT signaling is affected by RIPC in the human heart and is disrupted in an animal of low aerobic capacity, targeted activation of cardiac PI3K-AKT signaling with the selected therapeutic strategies did not induce significant benefits.

Terapeutisk manipulering av PI3K-AKT signalveien i hjertet: Hjertesykdommer er den viktigste dødsårsaken i verden, og prognosen for hjertepasienter er fortsatt dårlig. Dette krever utvikling av nye farmakologiske behandlingsmetoder. I den forbindelse har vi sett på tidligere studier av transgene mus som har en over-aktivering av PI3K-AKT signalveien i hjertet. Når disse musene blir utsatt for et hjerteinfarkt, ser man at disse får et mindre infarktområde enn vanlige mus. Andre studier viser også at mus med blokkert PI3K-AKT signalvei utvikler hjertesvikt raskere enn vanlige mus, og ikke opplever de positive effektene av trening. Mens bevis fra transgene dyr antyder at PI3K-AKT signalveien spiller en svært viktig rolle i hjertet, så er det fremdeles uvisst om en målrettet aktivering av PI3K-AKT signalveien ved hjelp av terapeutisk-relevante strategier, kan beskytte hjertet eller har potensiale til å etterligne de positive effektene av trening. Basert på dette, satte vi oss følgende mål for PhD-studiet: (Paper I) å verifisere om protein kinase AKT er aktivert i menneskehjertet etter en teknikk som kalles fjern iskemisk prekondisjonering (remote ischemic preconditioning, RIPC); (Paper II) å undersøke om administrering av et AKTaktiverende molekyl kunne reduserer infarktstørrelsen etter iskemi; (Paper III) å evaluere effektene av hjertespesifikk PI3K genterapi på mitokondriefunksjon og hjertefunksjon i en rottemodell med medfødt lav aerob kapasitet. I Paper I viste vi at RIPC aktiverer protein kinase AKT i venstre ventrikkel hos pasienter som gjennomgår koronar bypass kirurgi. RIPC førte til en vesentlig aktivering av AKT før iskemien inntraff (avklemming av aorta). Dette førte videre til fosforylering av proteiner som er regulert av AKT (målt ved reperfusjon). Dette tyder på at aktivering av AKT spiller en viktig rolle for å beskytte hjerte hos mennesker. Aktivering av AKT var også assosiert med bevart mitokondriefunksjon i RIPC gruppen sammenlignet med kontrollgruppen. I studie II viste vi at det molekylet SC79 aktiverer AKT i hjertet i løpet av 30 minutter. Overraskende nok viste det seg at aktivering av AKT ved administrering av SC79 enten før eller etter iskemi, i lave eller høye doser, ikke var tilstrekkelig til å opprettholde ATP-nivåer i hjertet, eller redusere infarktstørrelse. Videre fant vi i studie III at PI3K-AKT signalveien er deaktivert i hjertet hos rotter med arvelig lav aerob kapasitet. Fysiologiske undersøkelser viste at hjertecellene fra disse rottene hadde nedsatt mitokondriefunksjon og kontraksjon. Vi undersøkte deretter om hjertespesifikk transfeksjon av PI3K med adeno-associated virus (AAV9) kunne bedre den generelle hjertefunksjonen, mitokondriefunksjonen og maksimal aerob kapasitet (VO2max) hos rottene med medfødt lav aerob kapasitet. Til tross for at transfeksjonen var vellykket, fant vi ingen forbedring i hjertefunksjon, mitokondriefunksjon eller VO2max. Vi konkluderer med at selv om PI3K-AKT signalveien påvirkes av RIPC hos mennesker, og er deaktivert i rotter med medfødt lav aerob kapasitet, så ser det ikke ut til at aktivering av denne signalveien med de terapeutiske strategiene vi har testet fører til forbedringer i hjertet.