Early cardiac effects of a high-sucrose diet in a rat model of prediabetes

Abstract

A cardiomiopatia diabética (CMD) é vista como uma cardiomiopatia específica e definida por alterações estruturais e funcionais no miocárdio devido a anomalias metabólicas e celulares induzidas pela diabetes mellitus (DM). A transição das anomalias metabólicas precoces que precedem a DM, como a glicemia de jejum alterada e a intolerância à glicose, para um estado de diabetes pode levar muitos anos; no entanto, as estimativas actuais indicam que a maioria dos indivíduos neste estado de pré-diabetes eventualmente desenvolve DM. Durante o estado pré-diabético, o risco de eventos cardiovasculares está já aumentado e as anomalias cardíacas podem aparecer antes do diagnóstico da DM. A identificação precoce de alterações cardíacas em pacientes pré-diabéticos/resistentes à insulina poderá ser a melhor estratégia para prevenir a evolução para fases mais graves da doença. Para elucidar se estados iniciais de disfunção cardíaca estão já presentes na pré-diabetes com resistência à insulina, e os mecanismos envolvidos, testamos um possível modelo animal que pode mimetizar um estado pré-diabético em humanos com resistência à insulina, sem outros factores associados que podem levar à lesão/disfunção cardíaca, consistindo numa dieta rica em açúcares (35% de sacarose) durante 9 semanas. Dois objectivos específicos principais foram estabelecidos: a) caracterizar este modelo animal (em rato), no que concerne ao perfil glicídico, lipídico e insulínico; b) avaliar possíveis alterações cardíacas e os mecanismos subjacentes, determinando a pressão arterial e a frequência cardíaca, indicadores de trofismo cardíaco e do ventrículo esquerdo e a expressão proteica e/ou génica de marcadores de fibrose, hipertrofia, proliferação, apoptose, angiogénese, função endotelial, inflamação e stresse oxidativo. Este modelo caracteriza-se por uma normoglicemia em jejum, acompanhada por hiperinsulinemia, resistência à insulina e tolerância à glicose alterada, em conjunto com hipertrigliceridemia, o que pode ser definido como um modelo animal de pré-diabetes. Este modelo animal poderá ser uma ferramenta útil para avaliar o impacto das perturbações metabólicas precoces no tecido cardíaco, independentemente de outros factores como a obesidade e a hipertensão, que não se verificaram. Relativamente ao impacto da dieta rica em sacarose no tecido cardíaco, os nossos resultados indicaram que 9 semanas de tratamento pode estar associado a alterações iniciais a nível cardíaco, como sugerido pelo aumento da razão entre o peso do ventrículo esquerdo e massa corporal e pelo aumento da expressão génica de BNP, juntamente com uma tendência para um aumento da expressão de outros mediadores de fibrose / hipertrofia (como TGF-β1, pró-colagénio III, TSP-1 e CTGF) e de angiogénese e lesão endotelial (VEGF e iNOS, respectivamente). Além disso, o stresse oxidativo parece ser um potencial mecanismo que contribui para as iniciais alterações cardíacas. Esta hipótese, que deverá merecer uma atenção posterior mais aprofundada, é sugerida pela tendência para valores aumentados de MDA no soro e no tecido cardíaco. Contudo, em nosso entender, poderá ocorrer um mecanismo de compensação em resposta à formação de espécies reactivas, evidenciado pelo aumento do estado antioxidante total sérico e pela expressão aumentada da SOD no tecido cardíaco, bem como pela expressão génica reduzida de HNE e RAGE. Estes resultados sugerem que 9 semanas de consumo de sacarose poderá ser um período curto para promover alterações mais profundas na disfunção cardíaca, mas as alterações iniciais poderão estar já em curso. Contudo, estudos adicionais (incluindo outros tempos de exposição e marcadores de miopatia) são necessários para uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares e celulares subjacentes ao efeito da dieta rica em sacarose numa fase inicial da CMD.

Diabetic cardiomyopathy (DCM) is viewed as a specific cardiomyopathy and defined as structural and functional changes in the myocardium due to metabolic and cellular abnormalities induced by diabetes mellitus (DM). The transition from the early metabolic abnormalities that precedes diabetes, for example impaired fasting glucose (IFG) and impaired glucose tolerance (IGT), to diabetes may take many years; however, current estimates indicate that most individuals with these pre-diabetic states eventually develop DM. During the prediabetic state, the risk of cardiovascular events is already increased and myocardial abnormalities might appear prior to the diagnosis of Type 2 DM. Thus, the earlier identification of cardiac changes in prediabetic/insulin resistance patients could be a better strategy to prevent the evolution to most serious stages of the disease. To elucidate whether the initial stages of cardiac dysfunction are already present in a prediabetic state with insulin resistance, and the mechanisms involved, we tested a putative animal model that might mimic a human prediabetic state of insulin resistance, without other complicating factors that could lead to cardiac events, consisting on a high sugar diet (35% of sucrose) during 9 weeks. Two main specific goals were pursued: a) characterize the animal (rat) model, concerning glycemic, lipidic and insulinic profile; b) evaluate possible cardiac alterations and the underlying mechanisms, assessing by blood pressure and heart rate, heart and left ventricle trophism indexes and protein and/or mRNA expression of markers of fibrosis, hypertrophy, proliferation, apoptosis, angiogenesis, endothelial function, inflammation and oxidative stress. This model is characterized by the presence of fasting normoglycemia, accompanied by hyperinsulinemia, insulin resistance and IGT, together with hypertriglyceridemia, which might be defined as a prediabetic animal model. Since obesity and hypertension were not present, this animal model seems to be a useful tool to evaluate the impact of earlier metabolic perturbations on cardiac tissue and the existence of cardiomyopathy, independently of these confounding factors. Concerning the impact of the sucrose diet on cardiac tissue, our results indicated that 9 weeks of treatment might be associated with initial changes at cardiac level, as suggested by the increased left ventricle mass/body weight ratio and increased of BNP mRNA expression, together with a trend to upregulation of other mediators of fibrosis/hypertrophy (TGF-β1, procollagen III, TSP-1 and CTGF) and of angiogenesis and endothelial lesion (such as VEGF and iNOS, respectively). In addition, oxidative stress seems to be a putative mechanism contributing to earlier cardiac changes. This hypothesis, which deserves further elucidation, is suggested by the trend to increased values of MDA in serum and heart tissue. However, according to our view, a compensatory mechanism against the generation of reactive species might occurs, evidenced by the increased serum total antioxidant status and cardiac overexpression of SOD, as well as by the downregulation of HNE and RAGE mRNA. The results suggested that 9 weeks of sucrose exposure might be a short period to promote pronounced changes related to cardiac dysfunction, but the initial changes might be already in course. However, additional studies (including other times of exposure and markers of myopathy) are needed to better understand the molecular and cellular mechanisms underlying the effects of HSu on this earlier phase of DCM.