FUNDAMENTO: A presença de nervos nas válvulas cardíacas foi demonstrada pela primeira vez há décadas e identificadas em subpopulações: simpáticas e parassimpáticas, e, portanto, é esperado que as válvulas sejam grandemente afetadas pelos nervos autônomos. Entretanto, poucos estudos têm se concentrado na regulação de válvulas cardíacas pelo sistema nervoso autônomo. OBJETIVO: Buscamos identificar o papel do sistema nervoso autônomo na regulação das propriedades mecânicas dos tecidos de válvulas mitrais porcinas. MÉTODOS: As propriedades mecânicas dos folhetos de válvulas mitrais porcinas foram avaliados em resposta à norepinefrina (NE) e acetilcolina (ACH), os principais neurotransmissores. Ao mesmo tempo, fentolamina (FENT), metoprolol (Metop), atropina (Atrop) e desnudamento endotelial foram adicionados ao sistema reativo. RESULTADOS: Sob condições fisiológicas, a rigidez não foi afetada pelo desnudamento endotelial (p > 0,05). A NE significantemente aumentou a rigidez valvar por aumento de 10 vezes na concentração (10-6 vs 10-7, p < 0,05; 10-5 vs 10-6, p < 0,05). Essa resposta foi amenizada por FENT, Metop ou desnudamento endotelial (p < 0,05); entretanto, manteve-se aumentada de maneira significante quando comparada aos Controles (p < 0,05). A ACH causou uma diminuição na rigidez acompanhada por um aumento em sua concentração (alteração significante na rigidez por aumento de 10 vezes na concentração de ACH, 10-6 vs Controle, p < 0,05; 10-5 vs 10-6, p < 0,05), que foi revertida pelo desnudamento endotelial e Atrop (p > 0,05 vs Controle). CONCLUSÃO: Esses achados ressaltam o papel do sistema nervoso autônomo na regulação das propriedades mecânicas das cúspides de válvula mitral porcina, o que reforça a importância do estado nervoso autônomo no funcionamento ideal da válvula.
Department of Cardiac Surgery, Rui Jin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200025, PRC
A função das válvulas cardíacas é bastante complicada, pois os movimentos passivos da válvula não levam em consideração sua capacidade de se adaptar ao ambiente hemodinâmico e humoral. Isso é exemplificado pela presença de nervos nas válvulas cardíacas, demonstrada pela primeira vez há décadas e identificadas em subpopulações: simpáticas, parassimpáticas, sensoriais e marcadores colinérgicos nervosos1,2. A arritmia cardíaca é frequentemente detectada em pacientes com doenças cardíacas, incluindo as coronárias e valvares. Tônus autônomo inadequado, a suposta etiologia, é considerado prevalente na maioria das doenças cardíacas, então é esperado que as válvulas sejam grandemente afetadas pelos nervos autônomos. Entretanto, poucas investigações têm se concentrado na regulação de válvulas cardíacas pelo sistema nervoso autônomo. Estudos recentes indicaram que a adição de norepinefrina (NE) e acetilcolina (ACH) produziu aumentos dose-dependentes na contratilidade da válvula mitral e relaxamento do tecido da válvula aórtica, em um modelo
Nossa hipótese é que, sob condições fisiológicas, a rigidez do tecido da válvula mitral (módulo de elasticidade) varia em resposta a agentes nervosos autônomos através do endotélio valvar e respectivos receptores, e por conseguinte, o tônus do folheto e a função da válvula são modulados. Os objetivos do estudo são avaliar as alterações neurotransmissor-dependentes nas propriedades mecânicas da válvula mitral.
Corações porcinos (20 a 24 meses de idade) foram obtidos de um matadouro (FuXing Meats, Xangai, China). As cúspides mitrais (folheto anterior ou posterior, randomicamente), sem evidência visível de lesões, foram imersas imediatamente em solução-tampão de Krebs gelada e analisadas em até 24 horas após o sacrifício dos animais. As amostras foram inicialmente preparadas, eliminado-se todas as cordas tendíneas e divididas em tiras retangulares idênticas de 15 x 10 mm do ventre de cada cúspide em direção radial e circunferencial. A direção circunferencial foi definida como paralela à borda livre e a direção radial, como da borda livre à membrana basal da válvula mitral. As tiras radiais e circunferenciais foram analisadas separadamente. Os cortes foram designados para diferentes grupos, de acordo com os neurotransmissores utilizados ao acaso: norepinefrina (NE) (10-7 - 10-4 M; n = 10; SIGMA), acetilcolina (ACH) (10-6 - 10-4 M; n = 10; SIGMA) e Controles normais (n = 10). A fim de identificar a localização e mecanismo dos neuroagentes envolvidos na rigidez, tiras submetidas a desnudamento endotelial, que foi obtido mecanicamente com a utilização de um raspador celular, também foram empregadas (grupo com desnudamento endotelial, n = 10). Cada corte de tecido foi exposto somente a um único neurotransmissor para evitar interações entre os vários agentes e a solução seriada foi substituída por uma nova de cada vez, no intuito de garantir a concentração. Procedimentos envolvendo animais e seu cuidado foram aprovados pelo Comitê de Cuidados e Uso de Animais da Faculdade de Medicina da Shanghai Jiao Tong University.
Para avaliar a contribuição dos receptores dos neurotransmissores nas mudanças das propriedades mecânicas dos tecidos, as tiras foram pré-incubadas por 1 hora com fentolamina (FENT, um inibidor não-seletivo α-adrenoceptor, SIGMA), prazosina (Praz, um inibidor seletivo α1-adrenoceptor, SIGMA), metoprolol (Metop, um inibidor seletivo β1-adrenoceptor, SIGMA), propranolol (Propr, um inibidor não-seletivo β-adrenoceptor, SIGMA) e atropina (Atrop, um inibidor do receptor colinérgico M, SIGMA), antes do teste.
Após serem grampeados em ambas as extremidades com grampos de aço inoxidável forrados com papel abrasivo, as amostras foram montadas em um dispositivo de teste mecânico modificado (modelo 8511; Instron, Canton, Mass) em um banho de solução de Krebs a 37ºC e continuamente submetidos a 95% O2 e 5% CO2. O pH das soluções foi estabilizado entre 7,35 e 7,45. Transdutores de força para medida de tensão foram ligados ao longo dos eixos para monitorar em tempo real as alterações na tensão nas direções radial e circunferencial, respectivamente.
Os grampos foram colocados inicialmente 1 a 2 cm mais próximos para enrugar levemente o tecido e assegurar ausência de pré-carga. As amostras foram então pré-condicionadas por carga e descarga contínuas a 4 mm/s a uma carga pré-determinada (entre 200 e 400 g) por 20 ciclos para permitir que a resposta de tensão-deformação da válvula pudesse ser repetida. Outros três ciclos de medidas de tensão-deformação foram então registrados para os eixos radial e cincunferencial (grupo basal). O tecido foi então submetido a concentrações progressivamente mais altas de neurotransmissores e respectivos bloqueadores de receptor. Três ciclos adicionais de tensão versus deformação foram registrados (grupo de tratamento). Cada amostra serviu como seu próprio controle e foi utilizada apenas uma vez. A rigidez das amostras foi calculada a partir do gradiente da porção linear da curva de tensão-deformação (
Os dados são expressos como média ± DP. As comparações das propriedades mecânicas entre tecidos normais e tratados foram realizadas através de teste
A rigidez basal foi avaliada nos grupos iniciais: controles normais e folhetos após desnudamento endotelial. A rigidez nos controles não foi afetada pelo desnudamento (Controle
Quando submetidos à NE em concentração de gradiente, as válvulas apresentaram aumento na rigidez de forma concentração-dependente (
Entretanto, o desnudamento endotelial diminuiu a capacidade da NE em aumentar a rigidez (
De forma similar, quando a FENT estava presente no banho do órgão, havia uma tendência à diminuição da rigidez da cúspide após a adição de NE de resposta máxima (FENT
Finalmente, após incubação das cúspides com Metop, a adição de NE resultou em uma diferença significante na rigidez da cúspide em comparação com NE isoladamente (Metop
A rigidez das cúspides mitrais diminuiu significantemente em resposta ao aumento das concentrações de ACH (significante alteração em rigidez por aumento de 10 vezes na concentração de ACH, 10-5
Quando as amostras de válvulas foram pré-incubadas em Atrop ou sofreram desnudamento endotelial por meios mecânicos, a resposta à ACHO foi completamente revogada (p > 0,05
Empreendemos os melhores esforços para criar um ambiente interno quase-natural, no qual a válvula mitral se encontra e que é mediado pelo sistema nervoso autônomo (SNA). Os principais achados desse estudo são que, sob condições fisiológicas, os nervos autônomos (simpático e vago) modulam de forma significante as propriedades mecânicas das cúspides mitrais porcinas, através de neurotransmissores liberados pelas extremidades nervosas. A rigidez das válvulas mitrais era significantemente diminuída em resposta ao aumento das concentrações de ACH de forma concentração-dependente, e ao contrário, elevada pela NE de forma dose-dependente. Ao mesmo tempo observamos que o endotélio valvar, α/β adrenoceptor e receptor colinérgico tinham um papel fundamental na regulação das propriedades mecânicas.
Tem sido proposto que disfunções do sistema nervoso autônomo prevalecem na grande maioria dos pacientes com doenças cardíacas. Essa proposta é baseada, em sua maior parte, nos resultados de diversos estudos de variabilidade de frequência cardíaca e alguns sintomas de disautonomia, tais como síncope reflexa, ansiedade, sofrimento psicológico, palpitações, e assim por diante. Foi observado que as válvulas mitrais são moduladas pelo SNA em relação à função e responderam ativamente, diferentemente dos folhetos passivos propelidos apenas pela pressão transvalvar.
Entretanto, poucos detalhes do processo são conhecidos, de forma que esse estudo foi realizado com o objetivo de identificar o papel dos nervos autônomos na regulação das propriedades mecânicas da válvula mitral porcina.
A extremidade nervosa autonômica libera várias substâncias bioativas
Estudos recentes tem indicado que as células endoteliais de válvulas aórticas porcinas apresentam características celulares e moleculares específicas que tem um papel fundamental na regulação do tônus valvar cardíaco12,13. Foi relatado que o endotélio valvar exercia seu efeito através da modulação da rigidez da cúspide valvar aórtica humana à diferentes mediadores: ON e ET-114. Apesar disso, o papel fisiológico do SNA no endotélio valvar cardíaco ainda não tinha sido adequadamente definido. Com base nos desfechos do presente estudo, foi aparentemente observado que a rigidez alterada pela ACH foi completamente dependente do endotélio valvar, enquanto a rigidez alterada pela NE foi parcialmente dependente do endotélio valvar e outros mecanismos podem estar envolvidos. Essas respostas podem ser obtidas pela distribuição dos respectivos receptores. Os achados de Pompilio e cols.4 em válvulas pulmonares e aórticas porcinas podem ajudar a apreciar essa reação. O efeito da ACH, induzindo relaxamento do tecido da válvula aórtica, estava ausente quando endotélio foi removido mecanicamente, enfatizando o papel essencial do endotélio e receptores M2 (mencionados anteriormente). As alterações nas propriedades mecânicas do tecido valvar em resposta à diferentes mediadores podem ser explicadas pela presença de miofibroblastos e células de músculo liso nas válvulas humanas15. O endotélio valvar porcino sozinho não pode facilitar anatomicamente as populações de células intersticiais na rigidez, como demonstrado pela ausência de alteração na rigidez valvar após o desnudamento endotelial por meio mecânico. Entretanto, a reação cruzada entre os miofibroblastos intersticiais e endoteliais e as células de músculo liso foi sugerida por esse estudo, através da observação que o desnudamento endotelial diminuiu a capacidade da NE em aumentar a rigidez, somente mantendo a NE de alta dose (10-5) significante quando comparada aos grupos de menor dose. Esse pode ser o meio através do qual o endotélio da válvula mitral regula as propriedades mecânicas das cúspides de válvulas porcinas. Sendo assim, a estrutura e função únicas das células endoteliais valvares deveriam ser enfatizadas.
Esse é um estudo
É provável que alterações nas respostas mecânicas das válvulas cardíacas com vias autonômicas nervo-dependentes sejam significantes na patofisiologia da doença valvar. Tem sido demonstrado que os arcos reflexos parassimpáticos e simpáticos diferiam com o envelhecimento, incluindo aumento nos níveis de NE circulante na linha basal e em resposta à estresse, diminuição na concentração de catecolamina em coração de rato senescente, aumento na síntese e na degradação de enzimas para catecolaminas17. Houve um aumento na prevalência de disfunção valvar cardíaca com o envelhecimento e estão geralmente associadas a mudanças no SNA nas estruturas valvares e sistema circulatório. De forma similar, bioválvulas cardíacas, consideradas superiores à mecânicas em relação ao desempenho hemodinâmico e biocompatibilidade (complicações tromboembólicas mínimas, sem necessidade de anti-coagulação), apresentam, entretanto, durabilidade limitada, resultante de deterioração e disfunção valvar desconhecida. De acordo com esse estudo, o aumento da prevalência de disfunção valvar com o envelhecimento e a limitada longevidade da bioválvula pode ter uma correlação íntima e significante com o desequilíbrio ou falta de modulação nervosa autônoma. Finalmente, novas estratégias diagnósticas e terapêuticas podem emergir como ligações de vias anteriormente desconhecidas e revelar novos alvos de intervenção ao longo desses circuitos biológicos emergentes.
Em conclusão, esse estudo demonstrou que as propriedades mecânicas das cúspides da válvula mitral são ativamente reguladas através de vias autonômicas nervo-dependentes. Os nervos autônomos (simpático e vago) exercem seus efeito através da modulação da rigidez das cúspides através dos receptores α2, β1 e M2 na endotélio da válvula, além das células intersticiais. Estamos gratos por esses achados ajudarem na compreensão da patofisiologia valvar e estabelecer um mapa das respostas adaptativas das propriedades mecânicas das válvulas para futuras válvulas cardíacas biológicas.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.
Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.
Qiang Zhao Department of Cardiac Surgery, Rui Jin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine Shanghai, 200025, PRC E-mail:
Artigo recebido em 01/09/10; revisado recebido em 01/11/10; aceito em 23/11/10.
FUNDAMENTO: La presencia de nervios en las válvulas cardíacas quedó demostrada por primera vez hace algunas décadas e identificadas en sub-poblaciones: simpáticas y parasimpáticas y por lo tanto, lo que se espera es que las válvulas reciban una gran afectación de los nervios autónomos. Sin embargo, pocos estudios se han concentrado en la regulación de válvulas cardíacas a través del sistema nervioso autónomo. OBJETIVO: Buscamos identificar el papel del sistema nervioso autónomo en la regulación de las propiedades mecánicas de los tejidos de las válvulas mitrales porcinas. MÉTODOS: Las propiedades mecánicas de las capas de válvulas mitrales porcinas fueron evaluadas en respuesta a la norepinefrina (NE) y a la acetilcolina (ACH), los principales neurotransmisores. Igualmente, la fentolamina (FENT), el metoprolol (Metop), la atropina (Atrop) y la denudación endotelial también se añadieron al sistema reactivo. RESULTADOS: Bajo condiciones fisiológicas, la rigidez no se afectó por el denudación endotelial (p > 0,05). La NE aumentó significativamente la rigidez valvular con un aumento de 10 veces en la concentración (10-6 vs 10-7, p < 0,05; 10-5 vs 10-6, p < 0,05). Esa respuesta fue amenizada por FENT, Metop o denudación endotelial (p < 0,05); pero se mantuvo aumentada de manera significativa cuando se le comparó con los Controles (p < 0,05). La ACH causó una disminución en la rigidez acompañada por un aumento en su concentración (alteración significativa en la rigidez por el aumento en 10 veces de la concentración de ACH, 10-6 vs Control, p < 0,05; 10-5 vs 10-6, p < 0,05), que fue revertida por la denudación endotelial y Atrop (p > 0,05 vs Control). CONCLUSIÓN: Esos hallazgos destacan el rol del sistema nervioso autónomo en la regulación de las propiedades mecánicas de las cúspides de la válvula mitral porcina, lo que refuerza la importancia del estado nervioso autónomo en el funcionamiento ideal de la válvula.
Department of Cardiac Surgery, Rui Jin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200025, PRC
Correspondencia
La función de las válvulas cardíacas es bastante complicada, porque los movimientos pasivos de la válvula no tienen en cuenta su capacidad de adaptarse al ambiente hemodinámico y humoral. Eso se comprueba en la presencia de nervios en las válvulas cardíacas, demostrada por primera vez hace décadas e identificadas en subpoblaciones: simpáticas, parasimpáticas, sensoriales y marcadores colinérgicos nerviosos1,2. La arritmia cardíaca es frecuentemente detectada en pacientes con enfermedades cardíacas, incluyendo las coronarias y valvulares. El tono autónomo inadecuado así como la supuesta etiología, se consideran prevalentes para la mayoría de las enfermedades cardíacas. Se espera por lo tanto, que las válvulas estén muy afectadas por los nervios autónomos. Sin embargo, pocas investigaciones se han concentrado en la regulación de las válvulas cardíacas por el sistema nervioso autónomo. Los recientes estudios mostraron que la adición de norepinefrina (NE) y acetilcolina (ACH), produjo aumentos dosis dependientes en la contractilidad de la válvula mitral y en el relajamiento del tejido de la válvula aórtica, en un modelo
Nuestra hipótesis se basa en que, bajo condiciones fisiológicas, la rigidez del tejido de la válvula mitral (módulo de elasticidad), varía en respuesta a agentes nerviosos autónomos a través del endotelio valvular y respectivos receptores, por ende, el tono de la capa y la función de la válvula se modulan. Los objetivos del estudio son evaluar las alteraciones neurotransmisoras dependientes en las propiedades mecánicas de la válvula mitral.
Corazones porcinos (20 a 24 meses de edad) que fueron obtenidos de un matadero (FuXing Meats, Xangai, China). Las cúspides mitrales (capa anterior o posterior, randomicamente), sin evidencias visible de lesiones, fueron colocadas inmediatamente en una solución tampón frío de Krebs y analizadas en un máximo de 24 horas después del sacrificio de los animales. Las muestras fueron inicialmente preparadas, eliminado todas las cuerdas tendíneas y divididas en tiras rectangulares idénticas de 15 x 10 mm del vientre de cada cúspide en dirección radial y circunferencial. La dirección circunferencial se definió como siendo la paralela al borde libre, y la dirección radial, como la del borde libre a la membrana basal de la válvula mitral. Las tiras radiales y circunferenciales se analizaron por separado. Los cortes fueron designados para diferentes grupos de acuerdo con los neurotransmisores utilizados al acaso: norepinefrina (NE) (10-7-10-4 M; n = 10; SIGMA), acetilcolina (ACH) (10-6-10-4 M; n = 10; SIGMA) y Controles normales (n = 10). Para identificar la localización y el mecanismo de los neuroagentes involucrados en la rigidez, se usaron tiras sometidas a la denudación endotelial obtenidas mecánicamente con la utilización de un raspador celular, (grupo con denudación endotelial, n = 10). Cada corte de tejido se expuso solamente a un solo neurotransmisor para evitar interacciones entre los diversos agentes y la solución seriada fue sustituida por una nueva cada vez, con el fin de garantizar la concentración. Los procedimientos con animales y su cuidado fueron aprobados por el Comité de Cuidados y Uso de Animales de la Facultad de Medicina de Shanghai Jiao Tong University.
Con el fin de evaluar el aporte de los receptores de los neurotransmisores en los cambios de las propiedades mecánicas de los tejidos, las tiras se preincubaron durante 1 hora con fentolamina (FENT, un inhibidor no selectivo α-adrenoceptor, SIGMA), prazosina (Praz, un inhibidor selectivo α1-adrenoceptor, SIGMA), metoprolol (Metop, un inhibidor selectivo β1-adrenoceptor, SIGMA), propranolol (Propr, un inhibidor no selectivo β-adrenoceptor, SIGMA) y atropina (Atrop, un inhibidor del receptor colinérgico M, SIGMA) antes del test.
Después de ser presellados en las dos extremidades con grapas de acero inoxidable y forrados con papel abrasivo, las muestras se pusieron encima de un dispositivo de test mecánico modificado (modelo 8511; Instron, Canton, Mass) en un baño de solución de Krebs a 37º C siendo continuamente sometidas a un 95% O2 y a un 5% de CO2. El pH de las soluciones se estabilizó entre 7,35 y 7,45. Los transductores de fuerza para la medida de la tensión se conectaron a lo largo de los ejes para monitorizar, en tiempo real, las alteraciones de la tensión en las direcciones radial y circunferencial, respectivamente.
Las presillas se colocaron inicialmente 1 a 2 cm más próximas para arrugar ligeramente el tejido y asegurar la ausencia de la precarga. Las muestras fueron preacondicionadas por carga y descarga continuas a 4 mm/s a una carga predeterminada (entre 200 y 400 g), a 20 ciclos para permitir que la respuesta de tensión-deformación de la válvula pudiese repetirse. Otros tres ciclos de medidas de tensión deformación se registraron para los ejes radial y circunferencial (grupo basal). El tejido se sometió a concentraciones progresivamente más altas de neurotransmisores y sus respectivos bloqueantes de receptor. Tres ciclos adicionales de tensión versus deformación fueron registrados (grupo de tratamiento). Cada muestra sirvió como su propio control y fue utilizada solamente una vez. La rigidez de las muestras se calculó a partir del gradiente de la porción lineal de la curva de tensión-deformación (
Los datos se expresan en promedio ± DP. Las comparaciones de las propiedades mecánicas entre tejidos normales y tratados se hicieron a través del test
La rigidez basal fue evaluada en los grupos iniciales: controles normales y capas después de la denudación endotelial. La rigidez en los controles no se vio afectada por la denudación (Control
Cuando se sometieron a la NE en una concentración de gradiente, las válvulas presentaron un aumento en la rigidez de forma concentración dependiente (
Pero la denudación endotelial redujo la capacidad de la NE al aumentar la rigidez (
A semejanza de lo anterior, cuando la FENT estaba presente en el baño del órgano, había una tendencia a la disminución de la rigidez de la cúspide después de la adición de NE de respuesta máxima (FENT
Finalmente, y después de la incubación de las cúspides con Metop, la adición de NE trajo una diferencia significativa para la rigidez de la cúspide en comparación con NE aisladamente (Metop
La rigidez de las cúspides mitrales disminuyó significativamente en respuesta al aumento de las concentraciones de ACH (significativa alteración en rigidez por aumento de 10 veces en la concentración de ACH, 10-5
Cuando las muestras de las válvulas se preincubaron en Atrop o sufrieron una denudación endotelial por medios mecánicos, la respuesta a la ACHO fue completamente revocada (p > 0,05
Nos esforzamos al máximo para crear un ambiente interno casi natural, en el cual se encuentra la válvula mitral, y que está intermediado por el sistema nervioso autónomo (SNA). Los principales hallazgos de este estudio son los siguientes: bajo condiciones fisiológicas, los nervios autónomos (simpático y vago), modulan de forma significativa las propiedades mecánicas de las cúspides mitrales porcinas, a través de neurotransmisores liberados por las extremidades nerviosas. La rigidez de las válvulas mitrales estaba significativamente reducida como respuesta al aumento de las concentraciones de ACH de forma concentración dependiente y al contrario, elevada por la NE de forma dosis dependiente. Al mismo tiempo, observamos que el endotelio valvular, α/β adrenoceptor y el receptor colinérgico, tenían un papel fundamental en la regulación de las propiedades mecánicas.
Se ha propuesto que las disfunciones del sistema nervioso autónomo prevalecen en su gran mayoría en los pacientes con enfermedades cardíacas. Esa propuesta se basa, de manera general, en los resultados de diversos estudios de variabilidad de frecuencia cardíaca y en algunos síntomas de disautonomía, tales como síncope reflejo, ansiedad, sufrimiento psicológico, palpitaciones y otros. Foi observado que as válvulas mitrales são moduladas pelo SNA em relación à función e responderam ativamente, diferentemente de los folhetos passivos propelidos apenas pela pressão transvalvular.
Sin embargo, se conocen pocos detalles del proceso, por tanto, ese estudio fue realizado con el objetivo de identificar el papel de los nervios autónomos en la regulación de las propiedades mecánicas de la válvula mitral porcina.
La extremidad nerviosa autonómica libera varias sustancias bioactivas
Estudios recientes han indicado que las células endoteliales de las válvulas aórticas porcinas presentan características celulares y moleculares específicas, que poseen un papel fundamental en la regulación del tono valvular cardíaco12,13. Ya ha sido relatado que el endotelio valvular ejercía su efecto a través de la modulación de la rigidez de la cúspide valvular aórtica humana respecto de diferentes mediadores: ON y ET-114. A pesar de eso, el papel fisiológico del SNA en el endotelio valvular cardíaco todavía no había sido adecuadamente definido. En base a los desenlaces del presente estudio, se observó aparentemente, que la rigidez alterada por la ACH fue completamente dependiente del endotelio valvular, mientras que la rigidez alterada por la NE fue parcialmente dependiente del endotelio valvular y otros mecanismos pueden estar involucrados. Esas respuestas pueden ser obtenidas por la distribución de los respectivos receptores. Los hallazgos de Pompilio et al4 en válvulas pulmonares y aórticas porcinas pueden ayudar a apreciar esa reacción. El efecto de la ACH, induciendo al relajamiento del tejido de la válvula aórtica, no apareció cuando el endotelio fue removido mecánicamente, destacando el papel esencial del endotelio y de los receptores M2 (mencionados anteriormente). Las alteraciones en las propiedades mecánicas del tejido valvular en respuesta a los diferentes mediadores pueden ser explicados por la presencia de miofibroblastos y células de músculo liso en las válvulas humanas15. El endotelio valvular porcino por sí mismo, no puede facilitar anatómicamente las poblaciones de células intersticiales en la rigidez, como queda demostrado por la ausencia de la alteración en la rigidez valvular después de la denudación endotelial por medio mecánico. Sin embargo, la reacción cruzada entre los miofibroblastos intersticiales y endoteliales, y las células del músculo liso fue sugerida por este estudio, cuando observamos que la denudación endotelial redujo la capacidad de la NE en aumentar la rigidez, solamente manteniendo la NE de alta dosis (10-5) significativa cuando fue comparada con los grupos de menor dosis. Ése puede ser el elemento por medio del cual el endotelio de la válvula mitral regula las propiedades mecánicas de las cúspides de válvulas porcinas. Siendo así, la estructura y la función únicas de las células endoteliales valvulares deberían ser enfatizadas.
Este es un estudio
Es probable que alteraciones en las respuestas mecánicas de las válvulas cardíacas con vías autonómicas nervio dependientes sean significativas para al patofisiología de la enfermedad valvular. Se ha demostrado que los arcos reflejos parasimpáticos y simpáticos eran diferentes al envejecer, incluyendo el aumento en los niveles de NE circulante en la línea basal y en respuesta al estrés, disminución en la concentración de catecolamina en el corazón de rata envejecido, aumento en la síntesis y en la degradación de enzimas para catecolaminas17. Hubo un aumento en la prevalencia de la disfunción valvular cardíaca con el envejecimiento y están generalmente asociadas a los cambios en el SNA en las estructuras valvulares y en el sistema circulatorio. Igualmente, bioválvulas cardíacas, consideradas superiores a las mecánicas con relación al desempeño hemodinámico y a la biocompatibilidad (complicaciones tromboembólicas mínimas, sin necesidad de anticoagulación), presentan, sin embargo, una durabilidad limitada, resultante de la deterioración y de la disfunción valvular desconocidas. De acuerdo con este estudio, el aumento de la prevalencia de disfunción valvular con el envejecimiento y la limitada longevidad de la bioválvula, puede tener una correlación íntima y significativa con el desequilibrio o con la falta de modulación nerviosa autónoma. Finalmente, nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas pueden aparecer como conexiones de vías anteriormente desconocidas y revelar nuevos objetos de intervención a lo largo de esos circuitos biológicos emergentes.
Como conclusión, este estudio demostró que las propiedades mecánicas de las cúspides de la válvula mitral son activamente reguladas a través de vías autonómicas nervio-dependientes. Los nervios autónomos (simpático y vago), ejercen sus efectos a través de la modulación de la rigidez de las cúspides por medio de los receptores α2, β1 y M2 en el endotelio de la válvula, además de las células intersticiales.
Nos satisface saber que esos hallazgos ayudarán a comprender la patofisiología valvular y a establecer un mapa de las respuestas de adaptación de las propiedades mecánicas de las válvulas para futuras válvulas cardíacas biológicas.
Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.
El presente estudio no tuve fuentes de financiación externas.
No hay vinculación de este estudio a programas de postgrado.
BACKGROUND: The presence of nerves in heart valves was first depicted decades ago and identified into subpopulations: sympathetic, parasympathetic. So valves are expected to be greatly affected by the autonomic nerves. However, few studies have focused on the regulation of heart valves by the autonomic nervous system. OBJECTIVE: We sought to identify the role of the autonomic nervous system in the regulation of the mechanical properties of porcine mitral valve tissues. METHODS: Mechanical properties of porcine mitral valve leaflets were evaluated in response to norepinephrine (NE) and acetylcholine (ACH), the main neurotransmitters. At the same time, phentolamine (Phent), metoprolol (Metop), atropine (Atrop) and endothelial denudation were added to the reactive system. RESULTS: Under physiological conditions, the stiffness was not affected by endothelial denudation (p > 0.05). NE elevated the valve stiffness significantly per 10-fold increase in concentration (10-6 vs 10-7, p < 0.05; 10-5 vs 10-6, p < 0.05). This response was mitigated by Phent, Metop or endothelial denudation (p < 0.05), however, it was still increased significantly when compared to Controls (p < 0.05). ACH caused a decrease in stiffness accompanied by an increase in its concentration (significant change in stiffness per 10-fold increase in ACH concentration, 10-6 vs Control, p < 0.05; 10-5 vs 10-6, p < 0.05), which were reversed by endothelial denudation and Atrop (p > 0.05 vs Control). CONCLUSION: These findings highlight the role of the autonomic nervous system in the regulation of the mechanical properties of porcine mitral valve cusps, which underline the importance of autonomic nervous status for optimal valve function.
Department of Cardiac Surgery, Rui Jin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200025, PRC
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Heart valve function is quite complicated, as the passive movements of valve do not account for its ability to adapt to the hemodynamic and humoral milieu. This is exemplified by the presence of nerves in heart valves, which was first depicted decades ago and identified into subpopulations: sympathetic, parasympathetic, sensory and cholinergic nerve markers1,2. Cardiac arrhythmia is frequently detected in patients with heart diseases, including the coronary-derived and valve-derived ones. Improper autonomic tone, the supposed etiology, is considered prevalent in majority of heart diseases, so valves are expected to be greatly affected by the autonomic nerves. However, very little focus has been given to the regulation of heart valves by the autonomic nervous system. Recent studies have indicated that the addition of norepinephrine (NE) and acetylcholine (ACH) produced dose-dependent increases in mitral valve contractility and aortic valve tissue relaxation in an ex vivo model, respectively3,4. The functional role of neurotransmitters in the mechanical properties of cusp tissue remains undetermined. This could be vital, as the valve is subjected to high mechanical forces at each cardiac cycle. Understanding valvular mechanical properties is crucial to address an increasingly prevalent heart valve disease entity, even more so considering the increase in life expectancy of the general population and the improvement in long-term survival of patients with heart valve disease undergoing allogenic valve replacement surgery. This study will focus mainly on mitral valves, considering that, of all four heart valves, the mitral valve is the most commonly affected in disease processes requiring surgical intervention.
We hypothesize that under physiological conditions, mitral valve tissue stiffness (elastic modulus) varies in response to autonomic nervous agents through the valve endothelium and concerning receptors and accordingly, leaflet tone and valve function are modulated. The aims of the study are to evaluate the neurotransmitter dependent changes in mitral valve mechanical properties.
Porcine hearts (20 to 24 months old) were harvested from a slaughterhouse (FuXing Meats, Shanghai, China). Mitral cusps (anterior or posterior leaflet, randomly), with no visible evidence of lesion, were immersed immediately in ice-cold Krebs buffer and used within 24 hours of the animal's sacrifice. Specimens were prepared by first trimming away all chordae and were divided into identical 15 x 10 mm rectangular strips from the "belly" of each cusp in radial and circumferential directions. The circumferential direction was defined as parallel to the free edge and the radial direction went from the free edge to the basement of mitral valves. Radial and circumferential strips were analyzed separately. Sections were assigned to different groups, according to the neurotransmitters used at random: norepinephrine (NE) (10-7 - 10-4 M; n = 10; SIGMA), acetylcholine (ACH) (10-6 - 10-4 M; n = 10; SIGMA) and normal Controls (n = 10). In order to identify the location and mechanism of the neuroagents involved in stiffness, endothelial-denuded strips, which were mechanically accomplished with a cell scraper, were also employed (denuded group, n = 10). Each tissue section was only exposed to a single neurotransmitter to avoid interactions between various agents and the serial solution was replaced by a new one every time, ensuring the concentration. Procedures involving animals and their care were approved by Animal Care and Use Committee of the Shanghai Jiao Tong University School of Medicine.
To evaluate the contribution of the neurotransmitter receptors to changes in tissue mechanical properties, strips were preincubated for 1 hour with phentolamine (Phent, a nonselective α adrenoceptor inhibitor, SIGMA), prazosin (Praz, a selective α1 adrenoceptor inhibitor, SIGMA), metoprolol (Metop, a selective β1 adrenoceptor inhibitor, SIGMA), propranolol (Propr, a nonselective β-adrenoceptor inhibitor, SIGMA), and atropine (Atrop, a M cholinergic receptor inhibitor, SIGMA), before testing.
Gripped at both ends with 2-piece stainless clamps lined with sandpaper, the specimens were mounted in a modified mechanical testing device (model 8511; Instron, Canton, Mass) in a Krebs bath heated at 37º C and continuously gassed with 95% O2 and 5% CO2. The pH of solutions was stabilized between 7.35 and 7.45. Strain gauge force transducers were attached along long axes to real-time monitor the changes of tension in the radial and circumferential orientations respectively.
The grips were first placed 1 to 2 mm closer together to slightly wrinkle the tissue and to ensure no preload. The specimens were then preconditioned by continuously loading and unloading at 4 mm/s to a predetermined load (between 200 and 400 g) for 20 cycles, to allow the tension-strain response of the valve to become repeatable. Another three cycles of tension-strain measurements were then recorded for radial and circumferential axes (baseline group). The tissue was then challenged with increasing concentrations of neurotransmitters and some respective receptor blockers. Three more cycles of tension
Data are expressed as mean ± SD. Comparisons of mechanical properties between normal and treated tissues were performed by means of a 2-sided Student t test for two independent samples or One-way ANOVA test for multiple groups. All values of p < 0.05 were considered statistically significant. The statistical analyses were performed using SPSS version 13.0 (SPSS Institute).
Baseline stiffness was assessed for the initial groups: normal Control and endothelial-denuded leaflets. Endothelial denudation did not affect valve stiffness (Control vs. Denudation; Circumferential: 5.08 ± 0.41
When challenged with NE in gradient concentration, the valves presented increasing stiffness in a concentration-dependent manner (
However, endothelium-denudation blunted the ability of NE in increasing stiffness (
Similarly, when Phent was present in the organ bath, there was a diminishing trend in cusp stiffness after addition of maximal responsive NE (Phent
At last, after incubation of cusps in Metop, addition of NE resulted in a significant difference in cusp stiffness compared to NE alone (Metop
The stiffness of mitral cusps was significantly decreased in response to increasing concentrations of ACH (significant change in stiffness per 10-fold increase in ACH concentration, 10-5
When valve specimens were preincubated in Atrop or denuded with mechanical means, the response to ACH was abrogated completely (p > 0.05
We strove to create a near-natural internal environment, in which the mitral valve lies and is mediated by the autonomic nervous system. The main findings from this article are, under physiological conditions, the autonomic nerve (sympathetic and vagus) significantly modulates the mechanical properties of porcine mitral cusps through the neurotransmitters released by nervous ends. Stiffness of mitral valves was significantly decreased in response to increasing concentrations of ACH in a concentration-dependent fashion, and diversely, elevated by NE in a dose-effect manner. At the same time, we observed that valvular endothelium, α/β-adrenoceptor and cholinergic receptor played a fundamental role in regulating mechanical properties.
It has been proposed that autonomic nervous system dysfunction prevails in the vast majority of patients with heart diseases. This proposal is based mostly on the results of diverse heart rate variability studies and some dysautonomic symptoms, such as reflex syncope, anxiety, psychological distress, palpitation and so on. Mitral valves, which are far more than passive leaflets by transvalvular pressure, have been considered to be also regulated by the autonomic nervous system. However, little is known about the details of such process, so this study was performed aiming to identify the role of autonomic nerve in the regulation of porcine mitral valve mechanical properties.
The autonomic nervous end releases a number of bioactive substances
Recent studies have indicated that porcine aortic valve endothelial cells have specific cellular and molecular characteristics that play a fundamental role in regulating heart valve tone12,13. It was reported that the valve endothelium exerted its effects by modulating human aortic valve cusp stiffness to different mediators: ON and ET-114. Nevertheless, the physiological role of the autonomic nervous system in heart valve endothelium has not been adequately defined. Based on the outcomes of this study, it was apparently observed that the stiffness altered by ACH was completely dependent on the valvular endothelium, whereas the stiffness altered by NE was partially dependent on the valvular endothelium and other mechanisms might be involved. These responses may be elicited by the distribution of the respective receptors. The findings by Pompilio et al4 on porcine aortic and pulmonary valves may help appreciate this reaction. The effect of ACH, inducing aortic valve tissue relaxation, was absent when the endothelium was mechanically removed, underlining the essential role of the endothelium and M2 receptors (above mentioned). The changes in the mechanical properties of valve tissue in response to different mediators can be explained by the presence of myofibroblasts and smooth muscle cells in the human valves15. The porcine valvular endothelium alone cannot anatomically facilitate the interstitial cell populations in modulus, as evidenced by the absence of change in valve stiffness after mechanical denudation of the endothelium. However, the cross-talk between endothelial and interstitial myofibroblasts and smooth muscle cells was suggested by this study, seen from the observation that endothelium-denudation blunted the ability of NE in increasing modulus, only preserving the high-dose NE (10-5) significant compared to lower-dose groups. This may be the means by which the mitral valve endothelium regulates the mechanical properties of porcine valve cusps. Therefore, the unique structure and function of valve endothelial cells should be highlighted.
This is an
Changes in heart valves mechanical responses with autonomic nervous-dependent pathways are likely to be significant in the pathophysiology of valve disease. It has been shown that parasympathetic and sympathetic reflex arcs differed with aging, including increased circulating norepinephrine levels at baseline and in response to stress, decreased catecholamine concentration in senescent rat heart, increased synthesizing and degrading enzymes for catecholamines17. Heart valve dysfunctions show increased prevalence with age and are generally supposed to accompany autonomic nervous changes both in valve structures and circulation system. Similarly, tissue-engineered heart valves, considered to be superior to mechanical valve with regard to hemodynamic performance and biocompatibility (minimal thromboembolic complications, no anticoagulation required), have limited durability, however, resulting from degeneration and unknown valve dysfunction. According to this study, the increasing prevalence of valve dysfunction with age and the limited longevity of tissue-engineered valves may have a close and significant correlation with imbalance or lack of autonomic nervous modulation. At last, novel diagnostic and therapeutic strategies may emerge as previously unrecognized pathway links unmasking new targets of intervention along these emerging biologic circuits.
In conclusion, this study has shown that the mechanical properties of mitral valve cusps are actively regulated through autonomic nervous-dependent pathways. The autonomic nerve (sympathetic and vagus) exerts its effects by modulating the stiffness of the cusps through α2, β1 and M2 receptors in the valve endothelium, in addition to interstitial cells. We are grateful that these findings will help to understand valve pathophysiology and establish a blueprint of adaptive responses of valve mechanical properties for future tissue-engineered heart valves.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
There were no external funding sources for this study.
This study is not associated with any post-graduation program.