Effect of short-term intermittent hypoxia on cardiac apoptosis in mice

Abstract

Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common sleep-related breathing disorder affecting approximately %10 of the world population. It is characterized by recurrent episodes of upper airway collapse and intermittent hypoxia (IH), which is linked to multiple organ damage, including heart disease. Cardiac apoptosis is one of the key mechanisms of cardiac injury, contributing to heart failure and arrhythmias. There is also evidence suggesting that IH may lead to ischemic preconditioning. Less is known regarding the effect of IH on cardiac apoptosis. In this thesis project we aimed to address whether IH triggers an early apoptosis in the heart. We exposed 16 adult (8 weeks old) male C57BL6/J mice to IH (1 min cycles 30 sec. normoxia followed by 30 sec. 6% O2, 8 hours/day) for 1 day (n=8) and 1 week (n=8) respectively. A control group of 8+8 mice were kept near the system in order to neglect the stress factor caused by the sound of gas exchange. Following the IH exposure, perfused heart samples were collected for both histological and molecular analyses. Immunohistochemistry based staining techniques (Hematoxylin & Eosin [H&E] and Masson's Trichrome staining) have been applied in order to evaluate the myocardial architecture and to identify the early signs of apoptosis. Apoptotic index was calculated throughout H&E-stained tissue sections. Moreover, protein-based analysis was conducted in order to observe the pathways leading to apoptosis. IH for 1-day triggered an anti-apoptotic, cardioprotective response in cardiomyocytes. Notwithstanding, this response was downregulated and the pro- apoptotic markers significantly increased after 1 week-IH. The apoptotic response started in the right ventricle followed by the left ventricle and interventricular septum. Thus, IH might be beneficial at short term, but harmful if it persists. This study provides an important insight into the preconditioning effects of short-term IH application supporting the role of apoptosis-based cell signaling is a key contributor to the OSA-associated cardiac remodeling.

Obstrüktif Uyku Apnesi (OSA), dünya nüfusunun yaklaşık %10'unu etkileyen yaygın bir uyku ilişkili solunum bozukluğudur. Üst solunum yolunun tekrarlayan şekilde kollapsı ve aralıklı hipoksi (IH) epizotları ile karakterize edilir ve kalp hastalıkları dahil olmak üzere çoklu organ hasarı ile ilişkilidir. Kardiyak apoptoz, kalp yetmezliği ve aritmilere katkıda bulunan kalp hasarının temel mekanizmalarından biridir. Ayrıca IH'nin iskemik önkoşullanma sağlayabileceğini destekleyen bulgular da mevcuttur. Ancak IH'nin kardiyak apoptoz üzerindeki etkisi hakkında bilgiler sınırlıdır. Bu tez çalışmasında, IH'nin kalpte erken apoptozu tetikleyip tetiklemediğini araştırmayı amaçladık. Bu amaçla, toplamda 16 yetişkin (8 hafta) erkek C57BL6/J fare, 1 gün (n=8) ve 1 hafta (n=8) süreyle IH'ye maruz bırakıldı (1 dk döngüler halinde 30 sn normoksi, ardından 30 sn %6 O2, günde 8 saat). Kontrol grubundaki 8+8 fare, gaz değişim sisteminin yarattığı ses kaynaklı stres faktörünü ortadan kaldırmak amacıyla sistemin yakınında tutuldu. IH uygulamasının ardından perfüzyon uygulanmış kalp dokusu örnekleri histolojik ve moleküler analizler için toplandı. Miyokard dokusunun yapısını değerlendirmek ve erken apoptoz belirtilerini saptamak üzere immünohistokimyasal boyama teknikleri (Hematoksilen & Eozin ve Masson'un Trikrom boyamaları) kullanıldı. Apoptotik indeks (AI), H&E ile boyanmış doku kesitleri üzerinden hesaplandı. Ayrıca, apoptoza giden yolakları gözlemlemek amacıyla protein temelli analizler gerçekleştirildi. Bir günlük IH maruziyeti, kardiyomiyositlerde anti-apoptotik ve kardiyoprotektif bir yanıtı tetikledi. Ancak bu yanıt, bir haftalık IH sonrasında azalarak yerini pro-apoptotik belirteçlerde anlamlı bir artışa bıraktı. Apoptotik yanıt, ilk olarak sağ ventrikülde başladı, ardından sol ventrikül ve interventriküler septumda gözlendi. Sonuç olarak IH'ye karşı gelişen ilk yanıt kısa vadede faydalı olabilirken, IH süresinin uzaması halinde zararlı hale gelmektedir. Bu çalışma, kısa süreli IH uygulamasının önkoşullayıcı etkilerine ilişkin önemli bir bakış açısı sunmakta ve apoptoz temelli hücre sinyalizasyonunun, OUA ile ilişkili kardiyak yeniden şekillenmenin temel belirleyicilerinden biri olduğunu desteklemektedir.