A novel plant-based approach for the treatment of pulmonary arterial hypertension

Abstract

A Hipertensão Arterial Pulmonar (HAP) é uma doença cardiopulmonar caracterizada por uma extensa remodelação da vasculatura pulmonar, o que leva a um aumento da pressão arterial pulmonar com consequente hipertrofia e remodelação do ventrículo direito (VD), culminando na insuficiência cardíaca direita. A disfunção do VD é uma das principais características desta patologia, com um impacto muito significativo na qualidade de vida dos doentes, e que está associada a elevadas taxas de morbilidade e mortalidade. As causas exatas da HAP permanecem por esclarecer, e embora algumas manifestações clínicas e sintomas possam ser farmacologicamente atenuados, não há, até ao momento, nenhuma terapia cardioespecífica que efetivamente previna a progressão da doença para insuficiência do VD. Assim, é urgente o desenvolvimento de novas estratégias que possam ter impacto tanto na remodelação vascular como na disfunção do VD associada à HAP. Nos últimos anos, os metabolitos de origem vegetal surgiram como uma potencial fonte de moléculas ativas com muitos estudos validando os seus usos tradicionais em doenças cardiovasculares e apontando os seus efeitos benéficos em fatores de risco associados. Assim, a presente tese incidiu sobre o potencial de um monoterpeno volátil frequente em vários óleos essenciais, o 1,8-cineol, com propriedades hipotensivas e vasodilatadoras já comprovadas.O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto do 1,8-cineol na HAP, particularmente na disfunção do VD e na remodelação vascular pulmonar. Para isso, foi utilizada uma estratégia abrangente, coerente e complementar, recorrendo tanto a abordagens in vitro como in vivo. Foi utlizado um modelo inovador de hipertrofia celular, desenvolvido e otimizado no decorrer desta tese, que evidenciou que o 1,8-cineol reduz o tamanho do cardiomiócito e diminuiu a expressão de marcadores genéticos canónicos de hipertrofia. Estes resultados foram então validados num modelo pré-clínico de HAP induzido por monocrotalina (MCT), que mostrou que o tratamento com o 1,8-cineol reduziu a hipertrofia do VD e a fibrose, bem como melhorou a função cardíaca em animais doentes. Estes efeitos foram associados à modulação do handling do cálcio, à restauração da comunicação intercelular mediada por gap junctions e ao restabelecimento da dinâmica mitocondrial (fissão/fusão e mitofagia).O efeito do 1,8-cineol na remodelação vascular pulmonar foi também avaliado, abrangendo, assim, ambos os órgãos comprometidos na HAP. Os nossos resultados mostraram que em animais doentes tratados com 1,8-cineol, a espessura da camada medial das artérias pulmonares e a fibrose intersticial foram reduzidas, o que foi associado à restauração da via de sinalização do recetor de proteína morfogenética óssea 2(BMPR2)/Smad1/5. Além disso, no pulmão, o composto manteve a integridade das gap junctions e a função de barreira celular endotelial. Foram também evidenciadas as propriedades anti-angiogénicas do 1.8-cineol, que impediram a formação de lesões plexiformes in vivo, um indicador de severidade de HAP na clínica, e, retardaram a resposta angiogénica das células endoteliais arteriais pulmonares submetidas a hipóxia.Globalmente esta tese destaca o potencial protetor de um composto natural, amplamente encontrado em várias plantas aromáticas, devido aos seus efeitos em ambos os órgãos afetados na HAP, coração e pulmão. De facto, o 1,8-cineol foi capaz de atrasar a disfunção do VD e a remodelação da vasculatura pulmonar evitando assim a progressão da doença. Além disso, foi possível atribuir novas bioatividades ao 1,8-cineol na área cardiovascular, abrindo assim caminho para o desenvolvimento de novos alvos terapêuticos e possíveis formas de tratamento.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a cardiopulmonary disorder characterized by vast remodelling of the pulmonary vasculature, which leads to an increase in the pulmonary arterial pressure with consequent right ventricle (RV) hypertrophy and remodelling, culminating in right heart failure. RV dysfunction is a major hallmark of this pathology that greatly impacts patient’s quality of life with considerable morbidity and mortality rates. The exact cause of PAH remains elusive and although some clinical manifestations and symptoms can be pharmacologically attenuated, there is no cardiospecific therapeutic approach that effectively hampers the progression to RV failure. Therefore, the development of new strategies that can impact both the vascular remodelling and the RV dysfunction associated with PAH is imperative. In the last years, plant metabolites have emerged as a potential source of active molecules with many studies validating their traditional uses in cardiovascular diseases and pointing out their beneficial effects on associated risk factors. Bearing this in mind, the present thesis focused on 1,8-cineole, a volatile monoterpene found in several essential oils, with proven hypotensive and vasodilator properties.The main aim of these studies was to assess the impact of 1,8-cineole on PAH, particularly on RV dysfunction and on pulmonary vascular remodelling. For that, a comprehensive and complementary strategy was used, resorting to both in vitro and in vivo approaches. Using an innovative model of cell hypertrophy, developed and optimized in the course of this thesis, it was shown that 1,8-cineole reduced cardiomyocyte size and decreased the expression of canonical gene markers of hypertrophy. These results were further validated in a pre-clinical model of monocrotaline (MCT)-induced PAH, with 1,8-cineole treatment reducing RV hypertrophy, fibrosis and improving its function in diseased animals. These effects were associated with the modulation of calcium handling, restoration of gap junction-mediated intercellular communication and mitochondrial dynamics, particularly fission/fusion imbalance and mitophagy.We then assessed if 1,8-cineole could also improve pulmonary vascular remodelling, thus affecting both organs compromised in PAH. Our results showed that in diseased animals treated with 1,8-cineole, pulmonary arteries medial layer thickness and interstitial fibrosis were reduced, which was associated with the restoration of the bone morphogenetic protein receptor 2(BMPR2)/Smad1/5 pathway. Furthermore, in the lung, the compound maintained gap junctional integrity and endothelial cell barrier function. Furthermore, we provided evidence that 1,8-cineole has anti-angiogenic properties by preventing the formation of plexiform-like lesions in vivo, a disease hallmark associated with PAH severity in the clinic, and by hampering the angiogenic response of pulmonary arterial endothelial cells submitted to hypoxia.Overall, this thesis highlights the potential of a natural compound widely found in several aromatic plants to manage PAH due to its effects on both affected organs, heart and lung. Indeed, 1,8-cineole was able to delay RV dysfunction and pulmonary vasculature remodelling, thus avoiding disease progression. Furthermore, it ascribes novel bioactivities to 1,8-cineole and brings new insights to the cardiovascular field, paving the way for the development of new therapeutic targets.