Endothelial dysfunction in patients with cardiovascular diseases: the role of nitric oxide

Introduction: The endothelium is a dynamic and heterogeneous system that lines the entire vascular compartment and plays a pivotal role in maintaining cardiovascular homeostasis. The main functions of the endothelium are to maintain blood circulation and fluidity, regulate inflammation and coagulation pathways, and maintain redox balance, thus preventing the development and progression of atherosclerosis. This constellation of functions is primarily effected through the synthesis and release of nitric oxide by the endothelium. Nitric oxide is one of the most important regulatory molecules, is being synthesized within the endothelial cells by endothelial NO synthase (eNOS) and protects against vascular damage, inflammation, thrombosis and atherosclerosis. However, endothelial functions can be impaired in the presence of cardiovascular risk factors, which promote oxidative stress, trigger the inflammation and coagulation cascades, or increase shear stress. Endothelial dysfunction precedes the development of atherosclerosis and represents the intermediate link between cardiovascular risk factors and atherosclerosis. Endothelial dysfunction is intimately involved in the initiation, progression and acute events of the atherosclerotic process. Aim: We aimed to evaluate the role of endothelial dysfunction in the pathogenesis of myocardial infarction and ischemic stroke and to study the relationship between endothelial dysfunction and hypertension. Patients and methods: Patients who were admitted to the Second Propedeutic Department of Internal Medicine due to myocardial infarction or ischemic stroke were included in this study. We also studied hypertensive patients who were hospitalized in our Department. Age-matched patients without hypertension or previous myocardial infarction or stroke served as controls. Medical history, clinical examination and routine laboratory investigation was performed in all patients and controls. Endothelial function was assessed by determining serum levels of sICAM-1 (soluble intercellular adhesion molecule 1) and sVCAM-1 (soluble vascular cell adhesion molecule 1) as well as urinary albumin excretion. We also determined erythrocyte sedimentation rate and serum levels of high-sensitivity CRP and interleukin 6 (IL-6) as markers of inflammation. We also studied the G894T polymorphism of the eNOS gene by restriction fragment length polymorphism. Results: Seventy-two patients were included in this study (45 males and 27 females, with a mean age of 67.9±10.9 years) and 13 individuals served as controls (4 males and 9 females, with a mean age of 66.4±9.4 years). Thirty-one patients had had myocardial infarction, 18 patients had had ischemic stroke and 23 patients had had hypertension. Patients with myocardial infarction showed increased levels of inflammatory markers compared to controls, including higher levels of white blood cells (p=0.007), CRP (p=0.002) and IL-6 (p=0.001). In the myocardial infarction group, sVCAM concentration significantly correlated with age (r=0.477, p=0.007), glucose concentration (r=0.415, p=0.020) and glomerular filtration rate (r= –0.450, p=0.009). Even though genotype frequencies did not differ significantly between patients with myocardial infarction and controls (p=0.132), T allele frequency was significantly higher among the former compared to the latter (p=0.049). Patients with ischemic stroke demonstrated increased levels of urinary albumin excretion compared to controls (p=0.049). Furthermore, the former had increased levels of white blood cells and IL-6 compared to the latter (p=0.028 and p=0.050, respectively). In the ischemic stroke group, urinary albumin excretion significantly correlated with sVCAM-1 concentration (r=0.601, p=0.039), age (r=0.657, p=0.015), white blood cells’ levels (r=0.591, p=0.033), IL-6 concentration (r=0.727, p=0.007) and fibrinogen concentration (r=0.667, p=0.050). There were no differences in either genotype or T allele frequencies between patients with ischemic stroke and controls (p=0.663 and p=0.460, respectively). Patients with hypertension had increased urinary albumin excretion compared to controls (p=0.012). In this group, sVCAM-1 concentration significantly correlated with urea concentration (r=0.560, p=0.005), creatinine concentration (r=0.507, p=0.014), glomerular filtration rate (r= –0.605 και p=0.002), uric acid concentration (r=0.460, p=0.027) and urinary albumin excretion (r=0.613, p=0.020). In addition, urinary albumin excretion significantly correlated with fibrinogen concentration (r=0.691, p=0.019). There were no differences in either genotype or T allele frequencies between patients with hypertension and controls (p=0.985 and p=0.860, respectively). Conclusions: Our findings support the critical role of nitric oxide and endothelial dysfunction in the pathogenesis of atherosclerosis and its cardinal manifestations, myocardial infarction and ischemic stroke. Patients with myocardial infarction showed an increased frequency of T allele of the G894T polymorphism of the eNOS gene, which is known to result in decreased synthesis of nitric oxide and appears to increase the risk of myocardial infarction probably by triggering the inflammation cascade. Furthermore, patients with ischemic stroke demonstrated endothelial dysfunction, since urinary albumin excretion was significantly increased in these patients compared to controls. In patients with ischemic stroke, endothelial dysfunction appeared to have led to ischemic stroke by activating inflammatory pathways. Finally, our study confirms the causal role of hypertension in the development of endothelial dysfunction, since hypertensive patients showed significantly increased urinary albumin excretion compared to controls. Thus, assessment of endothelial function can contribute to the primary prevention of cardiovascular diseases, to the risk stratification in the setting of acute cardiovascular events and finally, to the secondary prevention of cardiovascular morbidity and mortality.Εισαγωγή: Το ενδοθήλιο αποτελεί ένα δυναμικό και ετερογενές σύστημα που εκτείνεται σε όλο το αγγειακό δίκτυο και διαδραματίζει κυρίαρχο ρόλο στη διατήρηση της ομοιοστασίας του καρδιαγγειακού συστήματος μέσω της ρύθμισης της ροής του αίματος, των μηχανισμών φλεγμονής και πήξης, της οξειδοαναγωγικής ισορροπίας και της αγγειογένεσης, αποτρέποντας παράλληλα την εμφάνιση και εξέλιξη της αθηροσκλήρωσης. Το ενδοθήλιο ασκεί τις πολύπλοκες δράσεις του κυρίως μέσω της σύνθεσης και απελευθέρωσης του μονοξειδίου του αζώτου (NO) και σήμερα είναι γνωστό το NO αποτελεί έναν από τους βασικότερους ρυθμιστές της ομοιοστασίας του ανθρώπινου οργανισμού και καταλαμβάνει κυρίαρχη θέση στους μηχανισμούς άμυνας έναντι της αγγειακής βλάβης, φλεγμονής, θρόμβωσης και αθηροσκλήρωσης. Το NO συντίθεται στα ενδοθηλιακά κύτταρα από την ενδοθηλιακή συνθετάση του NO (endothelial NO synthase, eNOS). Οι φυσιολογικές λειτουργίες του ενδοθηλίου διαταράσσονται υπό την επίδραση των παραγόντων καρδιαγγειακού κινδύνου μέσω της πρόκλησης οξειδωτικού stress, διέγερσης της φλεγμονής ή του μηχανισμού της πήξης, αύξησης του shear stress, καθώς και με συνδυασμούς αυτών των παθογενετικών μηχανισμών. Η εμφάνιση ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας θεωρείται με την σειρά της το πρώτο στάδιο της αθηροσκλήρωσης και αποτελεί τον συνδετικό κρίκο μεταξύ των ποικίλων παραγόντων καρδιαγγειακού κινδύνου και της ανάπτυξης της αθηροσκλήρωσης. Η ενδοθηλιακή δυσλειτουργία οδηγεί με πολλούς μηχανισμούς τόσο στην εμφάνιση και εξέλιξη της αθηροσκληρωτικής νόσου όσο και στις οξείες εκδηλώσεις της που εκδηλώνονται με τη ρήξη της αθηρωματικής πλάκας. Σκοπός: Σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση της σημασίας της ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας στην εμφάνιση οξέος εμφράγματος του μυοκαρδίου και αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου και της σχέσης της ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας με την αρτηριακή υπέρταση. Ασθενείς και μέθοδοι: Μελετήθηκαν ασθενείς που εισήχθησαν λόγω οξέος εμφράγματος του μυοκαρδίου με ανάσπαση του ST διαστήματος ή λόγω οξέος ισχαιμικού αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου στη Β’ Προπαιδευτική Παθολογική Κλινική του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στο Ιπποκράτειο Νοσοκομείο Θεσσαλονίκης. Επίσης μελετήθηκαν ασθενείς με αρτηριακή υπέρταση οι οποίοι εισήχθησαν στην Κλινική λόγω άλλης νόσου και εμφάνιζαν επίσης αρτηριακή υπέρταση. Τέλος, την ομάδα ελέγχου αποτέλεσαν άτομα αντίστοιχης ηλικίας με τους ασθενείς που εισήχθησαν στην Κλινική λόγω άλλης νόσου και δεν είχαν αρτηριακή υπέρταση ή ατομικό αναμνηστικό στεφανιαίας νόσου ή αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου. Σε όλους τους ασθενείς και την ομάδα ελέγχου λαμβανόταν ιστορικό, γινόταν κλινική εξέταση και εργαστηριακός έλεγχος. Η ενδοθηλιακή λειτουργία εκτιμήθηκε με μέτρηση της συγκέντρωσης στο πλάσμα των διαλυτών μορίων προσκόλλησης sICAM-1 (soluble intercellular adhesion molecule 1) και sVCAM-1 (soluble vascular cell adhesion molecule 1) και με προσδιορισμό της απέκκρισης λευκωματίνης στα ούρα. Η ενεργοποίηση της διεργασίας της φλεγμονής εκτιμήθηκε με τον προσδιορισμό της ταχύτητας καθίζησης ερυθρών και των συγκεντρώσεων της υψηλής ευαισθησίας CRP και της ιντερλευκίνης 6 (IL-6). Τέλος, ελέγχθηκε η παρουσία του πολυμορφισμού G894T του γονιδίου της eNOS με την μέθοδο πολυμορφισμού μήκους θραύσματος περιορισμού. Αποτελέσματα: Στην μελέτη συμπεριλήφθηκαν συνολικά 72 ασθενείς (45 άνδρες και 27 γυναίκες, με ηλικία 67,9±10,9 έτη) ενώ την ομάδα ελέγχου αποτέλεσαν 13 άτομα (4 άνδρες και 9 γυναίκες, με ηλικία 66,4±9,4 έτη). Από τους 72 ασθενείς, 31 ασθενείς εισήχθησαν στην Κλινική λόγω οξέος εμφράγματος του μυοκαρδίου, 18 ασθενείς εισήχθησαν λόγω οξέος αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου και 23 ασθενείς εισήχθησαν είτε για ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης είτε λόγω άλλης νόσου και εμφάνιζαν επίσης αρτηριακή υπέρταση. Οι ασθενείς με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου είχαν ενδείξεις ενεργού φλεγμονής, με υψηλότερες συγκεντρώσεις λευκών αιμοσφαιρίων, CRP και IL-6 σε σχέση με την ομάδα ελέγχου (p=0,007, p=0,002 και p=0,001 αντίστοιχα). Επίσης, στην ομάδα αυτή διαπιστώθηκε σημαντική θετική συσχέτιση της συγκέντρωσης sVCAM-1 με την ηλικία (r=0,477 και p=0,007) και με την συγκέντρωση της γλυκόζης (r=0,415 και p=0,020) και αρνητική συσχέτιση με το ρυθμό σπειραματικής διήθησης (r= –0,450 και p=0,009). Ακόμη, ενώ οι συχνότητες των επιμέρους γονοτύπων του πολυμορφισμού G894T δεν διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ασθενών με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου και της ομάδας ελέγχου (p=0,132), η συχνότητα του αλληλίου T στους ασθενείς με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου ήταν σημαντική μεγαλύτερη έναντι της συχνότητάς του στην ομάδα ελέγχου (p=0,049). Οι ασθενείς με αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο είχαν αυξημένη απέκκριση λευκωματίνης στα ούρα σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου (p=0,049). Επίσης, είχαν ενδείξεις ενεργού φλεγμονής, με μεγαλύτερες συγκεντρώσεις IL-6 και υψηλότερο αριθμό λευκών αιμοσφαιρίων σε σχέση με την ομάδα ελέγχου (p=0,028 και p=0,050 αντίστοιχα). Στην ομάδα αυτή διαπιστώθηκε σημαντική θετική συσχέτιση της απέκκρισης λευκωματίνης στα ούρα με την συγκέντρωση sVCAM-1 (r=0,601 και p=0,039), με την ηλικία (r=0,657 και p=0,015), με τον αριθμό λευκών αιμοσφαιρίων (r=0,591 και p=0,033), με την συγκέντρωση της IL-6 (r=0,727 και p=0,007) και με την συγκέντρωση ινωδογόνου (r=0,667 και p=0,050). Οι συχνότητες των επιμέρους γονοτύπων του πολυμορφισμού G894T δεν διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ασθενών με αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο και της ομάδας ελέγχου (p=0,663). Επίσης, η συχνότητα του αλληλίου T στους ασθενείς με αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο δεν διέφερε από την συχνότητά του στην ομάδα ελέγχου (p=0,460). Τέλος, οι ασθενείς με αρτηριακή υπέρταση είχαν αυξημένη απέκκριση λευκωματίνης στα ούρα σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου (p=0,012). Επίσης, στην ομάδα αυτή διαπιστώθηκε σημαντική θετική συσχέτιση της συγκέντρωσης sVCAM-1 με την συγκέντρωση της ουρίας (r=0,560 και p=0,005), της κρεατινίνης (r=0,507 και p=0,014), του ουρικού οξέος (r=0,460 και p=0,027) και με την απέκκριση λευκωματίνης στα ούρα (r=0,613 και p=0,020) και αρνητική συσχέτιση με το ρυθμό σπειραματικής διήθησης (r= –0,605 και p=0,002), καθώς και σημαντική θετική συσχέτιση της απέκκρισης λευκωματίνης στα ούρα με την συγκέντρωση ινωδογόνου (r=0,691 και p=0,019). Τέλος, οι συχνότητες των επιμέρους γονοτύπων του πολυμορφισμού G894T ήταν σχεδόν ταυτόσημες στους ασθενείς με αρτηριακή υπέρταση και στην ομάδα ελέγχου (p=0,985) και η συχνότητα του αλληλίου T στους ασθενείς με αρτηριακή υπέρταση ήταν σχεδόν παρόμοια στις δύο ομάδες (p=0,860). Συμπεράσματα: Τα ευρήματα της παρούσας μελέτης επιβεβαιώνουν τον κεντρικό ρόλο του μονοξειδίου του αζώτου και της ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας στην παθογένεση της αθηροσκλήρωσης και πιο συγκεκριμένα των σημαντικότερων εκδηλώσεών της, του οξέος εμφράγματος του μυοκαρδίου και του αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου. Στην ομάδα των ασθενών με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου διαπιστώσαμε αυξημένη συχνότητα του αλληλίου T του πολυμορφισμού G894T του γονιδίου της eNOS, που οδηγεί σε ελαττωμένη σύνθεση μονοξειδίου του αζώτου και αυξάνει τον κίνδυνο εμφάνισης οξέος εμφράγματος του μυοκαρδίου πιθανώς μέσω κινητοποίησης της φλεγμονώδους διαδικασίας. Στους ασθενείς με αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο παρατηρήσαμε επίσης ενδείξεις ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας, όπως αποτυπώνονται στην αυξημένη απέκκριση λευκωματίνης στα ούρα, με κυριότερη συνέπεια και πάλι την ενεργοποίηση της φλεγμονής και πιθανώς μέσω της τελευταίας εμφάνιση του αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου. Τέλος, η μελέτη μας επιβεβαιώνει και την σημασία της αρτηριακής υπέρτασης στην εμφάνιση ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας, καθώς διαπιστώσαμε σημαντικά αυξημένη απέκκριση λευκωματίνης στα ούρα στους υπερτασικούς ασθενείς. Συνεπώς, η μελέτη του ενδοθηλίου μπορεί να βοηθήσει ουσιαστικά στην πρωτογενή πρόληψη της αθηροσκλήρωσης και των εκδηλώσεών της, στη διαστρωμάτωση του κινδύνου σε ασθενείς με οξέα καρδιαγγειακά συμβάματα, καθώς και στη δευτερογενή πρόληψη των καρδιαγγειακών νοσημάτων