BEVEZETÉS

A szív- és érrendszeri meszesedés egy komplex betegség, amely magába foglalja a nagyerek, aorták, valamint a szívbillentyűk meszesedését, és amelyet a legtöbb esetben krónikus veseelégtelenség (CKD) kísér. Rudolf Ludwig Karl Virchow, a „sejtpatológia atyja” volt az első, aki 1983-ban az érrendszeri meszesedés jelenségét, mint merev, „csontszerű” degeneratív folyamatot írta le. Ma már nyilvánvaló, hogy a kardiovaszkuláris meszesedés egy jól szabályozott és dinamikus folyamat, amely a szív- és érrendszeri megbetegedésekből adódó halálozások fokozott kockázatát idézi elő. Ismeretes továbbá, hogy a kardiovaszkuláris mineralizáció patológiás progressziója sokkal kifejezettebb cukorbetegek és krónikus vesebetegek esetében (Davignon et al., (2004); Libby et al., (2002); NM Rajamannan et al., (2011); Stocker et al. al., (2004)). A meszesedéssel járó aorta billentyűk betegsége (CAVD: Calcified aortic valve disease-meszes aorta billentyű betegség) a fejlett országok egyik leggyakoribb szívbetegsége, szintén egy aktívan regulált folyamat révén alakul ki (Yutzey et al., (2014)). Számos munkacsoport leírta, hogy a CAVD-ben minden esetben, a mineralizáción kívül, megfigyelhetők lipidakkumulált és gyulladásos területek is, melyek a szívbillentyű szövetén belül a kialakult léziók heterogenitását eredményezik. A gyulladás az aorta billentyűk betegségében egy kritikus pontot képez a folyamat iniciálódásában, ahogyan azt a National Heart Lung and Blood Institute (Rajamannan; (2011)) és más kutatócsoportok (Mohler ER, (2001); Mazzone A, (2004); Freeman RV, (2005); Dweck MR, (2012)) is összefoglalták munkájukban (Yutzey KE; (2014)). A meszes és nem meszes régiók aránya meghatározó lehet a meszesedés stádiumának meghatározásához (Chester, (2011); Lusis et al., (2004); Mohler, (2004); Mohler et al., (2001); Speer et al., (2004)). A stenotikus aorta billentyűk mineralizációja során a szívbillentyűt alkotó VIC sejtek (Valvuláris Interstitialis sejtek) myofibroblast-szerű sejtekké transzdifferenciálódhatnak, amelyek kontraktilitási markerekkel jellemezhetők, mint például alfa- simaizom -aktin (α-SMA); vagy osteoblast-szerű sejtekké alakulhatnak: ALP-aktivitás megjelenésével a kalcifikáció korai szakaszaiban, majd megemelkedett osteocalcin expresszióval és RUNX2 transzkripciós factor nukleáris transzlokációjával a sejtmagba, a későbbi mineralizációs fázisokban (Nalini M. Rajamannan et al., (2003)). A CKD-s betegekben a plazma megemelkedett foszfát-szintje a szív-érrendszer meszesedésének egyik legpotensebb/legfontosabb indukálója (Hruska KA, (2008); Giachelli CM, (2009); Adeney KL, (2009)). A magas foszfát egy nátrium-függő foszfát-kotranszporter (Pit csatornák (Crouthamel et al., (2013); X. Li et al., (2006)) által közvetített folyamatban indukálja az érrendszeri kalcifikációt, azáltal hogy elősegíti a foszfát fokozott felvételét a sejtekbe (Ducy et al., (1997)).

Ferritin / ferroxidáz A vas az élő szervezetben esszenciális, elengedhetetlenül fontos számos sejtfunkcióban. A vas potenciális toxicitással rendelkezik, amelyet főként a ferritin molekulák modulálnak. A ferritin egy antioxidáns tulajdonságú vastároló protein, amelyről kimutatták, hogy megvédi az endotéliumot / simaizomsejteket / a szívbillentyű intersticiális sejtjeit a gyulladás káros hatásaival, valamint a meszesedéssel szemben is (Balla G, (1992); Sikura KÉ, (2019)); Zarjou A, (2009)). A ferritin nagyméretű molekula (450 kDa), funkciója, hogy akár 4500 Fe atomot tároljon egy biztonságos, gömb szerkezetű struktúrában, nem mérgező formában. A ferritinnek két alegysége van, nehéz [H] és könnyű [L] lánc, amelyek aránya a sejt, a szövet és a szerv vas-ellátottságától függ (Theil EC, (1990)). A ferritin H-lánca ferroxidáz aktivitással rendelkezik, amely elengedhetetlenül fontos ahhoz, hogy a potenciálisan mérgező Fe (II) ionok Fe (III) –ként raktározódjanak, ezáltal csökkentve az oxidatív károsodások kialakulásának lehetőségét (Arosio P, (2002)). A ferritinnek a vastároláson és vasháztartás szabályozásán túl immunmoduláló szerepe is van, melyet Wang és Knovich et al. (2010) írt le. A klinikumban a szérum ferritin szintje a szervezet vasháztartásának tükre, így azt vizsgálva különböző betegségekre (fertőzések, gyulladások, kardiovaszkuláris betegségek), rendellenességekre deríthető fény (Zarjou, Black et al. (2019)). A vas/ferritin pontos funkciója a gyulladásos megbetegedésekben, illetve a szív-érrendszer betegségeiben jelenleg még kevésbé ismert és vitatott, munkánkkal viszont megpróbálunk részletes betekintést nyújtani a vas/ferritin rendszer CAVD-ban és CKD-ben betöltött szerepére.

A H2S szerepe A hidrogén-szulfid a harmadik ismert endogén gazotranszmitter, a nitrogén-oxidon és a szén-monoxidon kívül (Wang, (2002)). Korábi munkánkban összefoglaltuk, hogy a NaSH-nak jelentős funkciója van az érrendszer egészségének fenntartásában azáltal, hogy gátolja az erek vaszkuláris simaizomsejtjeinek mineralizációját (Zavaczki et al., (2011)). A cisztationin-γ-liáz (CSE), az endogén kénhidrogén termelésért felelős enzim fontos feladatot lát el a normál szív- és élettani funkciókban, amint Jiang és munkatársai, és más munkacsoportok összefoglalták (Chen et al., (2007)). A szívbetegségek kialakulása a H2S termelés elégtelenségében nyilvánul meg, amelyet például a szívkoszorúér betegek plazmájában a H2S alacsonyabb szintje jelez (Jiang et al., (2005); Shen et al., (2015)). Az agyszövet normál működéséhez szükséges endogén H2S-termelést pedig a cisztationin-β-szintáz (CBS) biztosítja, ahogy K. Abe és H. Kimura is kimutatta (Abe et al., (1996)). A H2S hiányának pótlása már megvalósítható: Kang et al. (2017) szerint, a Lawesson’s reagens és a morfolin reagáltatása révén egy új generációs lassú H2S felszabadulást biztosító molekula (GYY4137) hozható létre. A GYY4137 protonációs reakciója pedig még stabilabb kénhidrogént felszabadító vegyületet eredményez, mint például AP67 és AP72. Az AP72 kiválóan oldódik vízben és nagyon lassan generálja a H2S-t, összehasonlítva a gyors kénhidrogén-felszabadító donorokkal, mint például NaSH és Na2S (Chitnis et al., (2013); Kang et al., (2017); Nagy Péter et al., (2014)). Ezen túlmenően nemrégiben Rose, Moore et al., (2017) bizonyította, hogy a kénhidrogénnek a sejtek jelátviteli folyamataiban poszt-transzlációs módosításokban is funkcionális szerepe van. Állatmodellben és géncsendesített in vitro modellekben is megfigyelték a H2S mineralizációban betöltött szerepét, melyet a CSE/CBS enzimrendszerek alulműködésével támasztottak alá (Rose, Moore et al. (2017)). Munkánk e fejezetében egy új, részletes betekintést szeretnénk bemutatni a kénhidrogén kardiovaszkuláris funkcióját illetően, in vitro és in vivo modellben is demonstrálva. Introduction Vascular and valvular calcification Cardiovascular calcification is a complex disease involving the major and medium-sized arteries along with the aortic valves and is accompanied with chronic kidney disease. Rudolf Ludwig Karl Virchow, the ‘father of cellular pathology’, was the first who described the phenomenon of vascular calcification with the presence of stiff, ‘bone-like’ consistency in atheroma as a degenerative process in 1983. Today it is evident that cardiovascular calcification is a well-regulated and dynamic process, implicated with an increased risk of cardiovascular morbidity and mortality. It is also well known, that the pathological progression of cardiovascular mineralization is much more pronounced in patients with diabetes and in chronic kidney disease (CKD) (Libby, Ridker et al. (2002), Davignon and Ganz (2004), Stocker and Keaney (2004), Rajamannan, Evans et al. (2011)). Calcific aortic valve disease (CAVD) is one of the most common valvular heart disease in developed countries, and is a well defined disease process (Yutzey, Demer et al. (2014)). In addition to calcification, lipid accumulation and inflammation result in an atherogenous lesion within the heart valve tissue. As demonstrated by the National Heart Lung and Blood Institute, in valvular disease inflammation is a critical initiation step (Rajamannan, Evans et al. (2011) and other research groups (Mohler, Gannon et al. (2001); Mazzone, Epistolato et al. (2004);Freeman and Otto (2005); Dweck, Boon et al. (2012); Yutzey, Demer et al. (2014)). The ratio of the calcified and non-calcified regions could guide us to determine the state of calcification (Chester (2011); Lusis, Mar et al. (2004);Mohler (2004); Speer and Giachelli (2004); Mohler, Gannon et al. (2001)). In stenotic aortic valve calcification, VIC can transdifferentiate into myofibroblast-like cells, which are identified by markers of contractility such as alpha smooth muscle actin (α-SMA), or into osteoblast-like cells: identified by upregulation of ALP activity, and increased levels of osteocalcin expression, and RUNX2 nuclear translocation into the nucleus in later stages. In CKD patients, the elevated plasma phosphate level is one of the most potent inducer of the initiation of vascular calcification (Hruska, Mathew et al. (2008);Giachelli (2009);(Adeney, Siscovick et al. 2009)). High phosphate provokes calcification of vascular cells in a process mediated by a sodium-dependent phosphate co-transporter (Pit channels), that facilitates entry of phosphate into the cells. In calcified valves, VIC is also shown to transdifferentiate into osteoblast-like cells, determined by the increasing of osteocalcin levels, ALP activity and other osteogenic factors expression/translocation (Rajamannan, Subramaniam et al. (2003)) such as RUNX2, the osteogenic transcription factor and its nuclear translocation (Ducy (1997)). Phosphate uptake occurs via phosphate carriers Pit1 and Pit2 (Crouthamel 2013); Li, Yang et al. (2006)). Ferritin/Ferroxidase Iron is essential in several cellular functions. Iron overload can be potentially toxic, and is mainly modulated by the ferritin molecules. Ferritin is an iron storage protein that has antioxidant properties, and it is known to protect the endothelium/smooth muscle cells/valvular interstitial cells against the damaging effects of inflammation and calcification (Balla, Jacob et al. 1992); Sikura, Potor et al. (2019), Zarjou, Jeney et al. (2009)). Ferritin is a large molecule (450 kDa), and its function is to stores up to 4500 Fe atoms in a safe, spherical shell in a nontoxic form. Ferritin has 24 subunits of two types (heavy [H] and light [L] chain) the proportions of which depend on the iron status of the cell, the tissue, and the organ (Theil (1990)). The H-chain of ferritin has ferroxidase activity that is essential for iron incorporation and also in controlling the potentially toxic Fe (II) ions via reduction in oxidative damage (Arosio and Levi (2002)). Additionally, ferritin has various functions apart from iron storage, i.e., it is has been described as having immunomodulatory effects as summarized in a review by Wang, Knovich et al. (2010). Additionally, levels of serum ferritin are widely utilized by clinicians as a mirror of iron stores, and may signal abnormality in different diseases, e.g., infections, inflammation, cardiovascular disorders (Zarjou, Black et al. (2019)).While the connotation of iron/ferritin role in inflammation and cardiovascular diseases is not well understand and is extensively debated, in this part of this work we attempt to highlight a possible mechanism and its role in CAVD and CKD. Role of H2S Hydrogen sulfide is a water soluble, colorless gas which was described first time in the 17th century (Wang (2010); Wang (2012)). Hydrogen sulfide is the novel endogenous gasotransmitter, along with nitric oxide and carbon monoxide (Wang (2002)). In mammalian tissues H2S is mainly produced by CSE (cystathionine gamma-lyase) and CBS (cystathionine beta-synthase) from L-cysteine and homocysteine (Zhang, Wang et al. (2018)). Beltowski (2015) previously demonstrated that H2S levels may be enhanced in vivo by conventional inorganic sulfide salts and Kang, Neill et al. (2017) have described that reaction between Lawesson’s reagent and morpholine results in a new generation slow H2S release compound GYY4137. Protonation reaction of GYY4137 results more stable H2S releasing compounds, such as AP67 and AP72. AP72 has excellent water solubility and very slow generation of H2S compared to the fast H2S releasing donors such as NaSH and Na2S (Chitnis, Njie-Mbye et al. (2013); Kang, Neill et al. (2017)); Nagy (2013)). Previously, we demonstrated that NaSH is a significant inhibitor of mineralization of vascular smooth muscle cells (Zavaczki, Jeney et al. (2011)). CSE is important for normal heart function and physiological functioning as Jiang et al, and others have concluded (Chen, Xin et al. (2007)). The development of heart disease is manifested by the disorder of H2S production as indicated by the lower levels of plasma H2S in patients with coronary heart disease (Jiang, Wu et al. (2005);Shen, Shen et al. (2015)). Additionally, the endogenous H2S production by CBS also ameliorates the normal function of the brain (Abe and Kimura (1996)). Furthermore, elevation of H2S levels is now achievable. Rose, Moore et al. (2017) recently demonstrated that H2S play a functional role in cell-signaling and post-translational-modifications in cardiovascular system. Moreover, using siRNA or genetic animal (mouse) models to demonstrate the role of H2S during mineralization, a mimic loss of function of genes (CSE; CBS) involved in the biosynthesis and degradation of H2S was observed within the affected cells/tissue (Rose, Moore et al. (2017)). In this work we would like to reveal new insights into the biology of H2S within the cardiovascular system and in cell signaling.