Investigation of the cardioprotection induced by selective sodium/glucose co-transporter type 2 (SGLT2) inhibitors

Abstract

Background: Sodium/glucose co-transporter type 2 inhibitors (SGLT2i) have emerged as a groundbreaking class of antidiabetic drugs, demonstrating robust cardioprotective effects in patients with heart failure. Despite consistent reductions in heart failure hospitalizations, their impact on acute myocardial infarction (AMI) has not yet been tested. The molecular mechanisms underlying these benefits remain incompletely understood and may extend beyond glucose lowering, involving off-target effects on cardiac cells and metabolic pathways. Given the limited expression of SGLT2 co-transporter in the myocardium under physiological conditions, it remains unclear whether these effects are class-wide or drug-specific, and whether they are mediated through direct or indirect mechanisms. Aim: This thesis aimed to elucidate the cardioprotective mechanisms of the three most selective SGLT2i, namely empagliflozin (EMPA), dapagliflozin (DAPA), and ertugliflozin (ERTU), in the setting of AMI, with a focus on the classical SAFE and RISK cardioprotective pathways, as well as metabolic and inflammatory pathways. Through four independent but complementary studies, both preclinical and clinical, we sought to determine (i) whether cardioprotection represents a class or drug-specific effect and whether it depends on systemic SGLT2 inhibition; (ii) how SGLT2i affect cardiac metabolism and post-AMI inflammatory responses; (iii) the cell-specific effects of EMPA on the ischemic myocardium and its role in endothelial and microvascular protection; and (iv) whether post-AMI EMPA administration confers benefit in patients, in a real-world clinical setting.Methods and Results: In Experimental Study I, we directly compared EMPA, DAPA, and ERTU pretreatment in a non-diabetic murine model of AMI. Short-term (7-day) pretreatment with EMPA and DAPA significantly reduced infarct size (IS), whereas ERTU did not, despite similar levels of renal glucose excretion. Proteomic and molecular analyses revealed activation of the SAFE and RISK cardioprotective pathways and suppression of cellular apoptosis as key mechanisms of EMPA- and DAPA-induced cardioprotection. In Experimental Study II, we evaluated the effects of EMPA pretreatment (6 weeks) in both diabetic and non-diabetic murine models of AMI. EMPA restored AMI-induced metabolic and lipid disturbances and suppressed immune cell infiltration in the infarcted myocardium, irrespective of diabetic status. EMPA also reduced cardiac necrosis 7 days post-AMI. In Experimental Study III, we examined the cell-specific transcriptomic effects of EMPA pretreatment (6 weeks) on cardiomyocytes, fibroblasts, and endothelial cells, isolated from the murine myocardium following AMI, using RNA sequencing. EMPA pretreatment restored the AMI-induced disturbances in the transcriptome of endothelial cells, while it did not affect cardiomyocytes or cardiac fibroblasts. EMPA also reduced IS, improved cardiac function, preserved endothelial integrity, attenuated the no-reflow phenomenon, and suppressed cardiac immune cell infiltration 48h post-AMI. Notably, these effects were replicated when EMPA was administered solely after reperfusion, enhancing its clinical relevance. In Experimental Study IV, we conducted a proof-of-concept clinical study in diabetic patients with recent ST-elevation myocardial infarction (STEMI) who initiated EMPA within two months post-STEMI. EMPA improved left ventricular cardiac function and endothelial function, as evidenced by enhanced echocardiographic and vascular parameters, and reduced circulating markers of endothelial activation, including ICAM-1 and thrombomodulin. Conclusions: Collectively, this thesis demonstrates that the cardioprotective effects of SGLT2i are not uniform across the drug class, with EMPA and DAPA exhibiting superior efficacy compared to ERTU. EMPA confers cardioprotection via a multifaceted mechanism involving activation of the SAFE and RISK signaling pathways, metabolic reprogramming, attenuation of inflammation, and preservation of endothelial and microvascular integrity. Notably, these protective effects are retained even when EMPA is administered after reperfusion, enhancing its clinical applicability. These findings support the early initiation of EMPA following AMI as a promising therapeutic strategy to preserve cardiac and vascular function and improve clinical outcomes in patiens with AMI.

Εισαγωγή: Οι εκλεκτικοί αναστολείς του συμμεταφορέα νατρίου/γλυκόζης τύπου 2 (SGLT2i) έχουν αναδειχθεί ως καινοτόμα αντιδιαβητικά φάρμακα με τεκμηριωμένη καρδιοπροστατευτική δράση σε ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια. Αν και μειώνουν τις νοσηλείες λόγω καρδιακής ανεπάρκειας, η δράση τους σε ασθενείς με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου (ΟΕΜ) δεν έχει μελετηθεί. Επίσης, οι μοριακοί μηχανισμοί που μεσολαβούν την προστατευτική τους δράση δεν έχουν πλήρως αποσαφηνιστεί και φαίνεται να εκτείνονται πέραν της αντιϋπεργλυκαιμικής τους δράσης λόγω αναστολής του συμμεταφορέα SGLT2 στο νεφρό και της επακόλουθης αυξημένης νεφρικής απέκκρισης γλυκόζης. Επίσης, δεδομένης της απουσίας έκφρασης του συμμεταφορέα SGLT2 στο μυοκάρδιο, κάτω από φυσιολογικές συνθήκες, παραμένει άγνωστο εάν η καρδιοπροστασία μεσολαβείται από συστηματικές δράσεις ή τοπικές δράσεις το μυοκάρδιο, καθώς και αν η καρδιοπροστασία χαρακτηρίζει ολόκληρη τη φαρμακευτική κατηγορία ή ορισμένους μόνο SGLT2i. Σκοπός: Η παρούσα διατριβή διερευνά τους μηχανισμούς καρδιοπροστασίας των τριών πιο εκλεκτικών SGLT2i, συγκεκριμένα της εμπαγλιφλοζίνης (EMPA), της δαπαγλιφλοζίνης (DAPA) και της ερτουγλιφλοζίνης (ERTU), στο πλαίσιο του ΟΕΜ. Η έρευνα εστιάζει στις σηματοδοτικές οδούς RISK και SAFE, καθώς και σε μεταβολικά και φλεγμονώδη μονοπάτια. Μέσω τεσσάρων ανεξάρτητων αλλά συμπληρωματικών μελετών, προκλινικών και κλινικών: (i) διερευνήθηκε αν η καρδιοπροστασία χαρακτηρίζει ολόκληρη τη φαρμακευτική κατηγορία των SGLT2i ή είναι ειδική για ορισμένες ουσίες, και αν μεσολαβείται από τη νεφρική αναστολή του συμμεταφορέα SGLT2, (ii) αξιολογήθηκε αν οι SGLT2i επηρεάζουν τον καρδιακό μεταβολισμό και τη φλεγμονώδη απόκριση μετά το ΟΕΜ, (iii) μελετήθηκαν οι δράσεις της EMPA στους επιμέρους κυτταρικούς πληθυσμούς στο ισχαιμικό μυοκάρδιο και ο ρόλος της στην ενδοθηλιακή και μικροαγγειακή προστασία ύστερα από ΟΕΜ, και (iv) αξιολογήθηκε η δράση της EMPA στην καρδιακή και αγγειακή λειτουργία σε ασθενείς με πρόσφατο ΟΕΜ. Μέθοδοι και Αποτελέσματα: Στην Πειραματική Μελέτη I, συγκρίθηκε η καρδιοπροστατευτική δράση της EMPA, DAPA, και ERTU σε ένα μη διαβητικό μοντέλο ΟΕΜ σε μύες. Η βραχυχρόνια (καθημερινά για 7 ημέρες πριν από την πρόκληση ΟΕΜ) χορήγηση των φαρμάκων EMPA και DAPA μείωσε την έκταση του εμφράγματος (IS), σε αντίθεση με τη χορήγηση ERTU, παρά τον συγκρίσιμο βαθμό γλυκοζουρίας και από τους τρεις παράγοντες. Πρωτεομική και μοριακή ανάλυση ανέδειξε την ενεργοποίηση των σηματοδοτικών οδών SAFE και RISK και την επακόλουθη καταστολή της κυτταρικής απόπτωσης ως βασικούς μηχανισμούς καρδιοπροστασίας για την EMPA και DAPA, ενώ μόνο η EMPA βελτίωσε τη μιτοχονδριακή λειτουργία, αναδεικνύοντας την υπεροχή της έναντι της DAPA. Στην Πειραματική Μελέτη II, αξιολογήθηκε η επίδραση της χορήγησης EMPA (10 mg/kg/day, για 6 εβδομάδες πριν από την πρόκληση ΟΕΜ) στο καρδιακό μεταβολικό και λιπιδικό προφίλ σε διαβητικούς και μη διαβητικούς μύες που υπεβλήθησαν σε ΟΕΜ, με τη χρήση μεταβονομικής και λιπιδομικής ανάλυσης. Η EMPA αποκατέστησε τις επαγόμενες από το ΟΕΜ μεταβολικές και λιπιδικές διαταραχές, και κατέστειλε τη διήθηση ανοσοκυττάρων στο ισχαιμικό μυοκάρδιο. Οι δράσεις αυτές, μάλιστα, ήταν ανεξάρτητες του γλυκαιμικού προφίλ των ζώων. Επιπλέον, η χορήγηση EMPA μείωσε την καρδιακή νέκρωση 7 ημέρες μετά το ΟΕΜ. Στην Πειραματική Μελέτη III, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση των επαγόμενων από την EMPA αλλαγών στο μεταγράφωμα των επιμέρους κυτταρικών πληθυσμών του ισχαιμικού μυοκαρδίου (καρδιομυοκύτταρα, ινοβλάστες, ενδοθηλιακά κύτταρα), με την τεχνική του RNA sequencing, προκειμένου να εντοπιστεί ο κυτταρικός πληθυσμός που επηρεάζεται από τη χορήγηση EMPA. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η χορήγηση EMPA ανέστρεψε τις επαγόμενες από το ΟΕΜ μεταβολές στο μεταγράφωμα των ενδοθηλιακών κυττάρων, χωρίς να επηρεάσει το μεταγράφωμα των καρδιομυοκυττάρων ή των καρδιακών ινοβλαστών. Επίσης, μείωσε το IS, βελτίωσε την καρδιακή λειτουργία, περιόρισε το φαινόμενο «μη επαναρροής», και κατέστειλε τη φλεγμονή στο ισχαιμικό μυοκάρδιο 48 ώρες μετά το ΟΕΜ. Οι δράσεις αυτές αναπαράχθηκαν ακόμη και όταν η EMPA χορηγήθηκε αποκλειστικά μετά την επαναιμάτωση. Στην Πειραματική Μελέτη IV, διαβητικοί ασθενείς με πρόσφατο ΟΕΜ έλαβαν EMPA εντός δύο μηνών από το συμβάν. Η EMPA βελτίωσε τη συστολική καρδιακή λειτουργία και την ενδοθηλιακή λειτουργία, και μείωσε τους δείκτες ενδοθηλιακής ενεργοποίησης (ICAM-1, θρομβομοντουλίνη) στο πλάσμα των ασθενών. Συμπεράσματα: Η παρούσα διατριβή αναδεικνύει πως η καρδιοπροστασία των SGLT2i δεν αποτελεί ενιαίο χαρακτηριστικό ολόκληρης της φαρμακευτικής κατηγορίας, με την EMPA και DAPA να υπερέχουν έναντι της ERTU. Οι μηχανισμοί καρδιοπροστασίας που επάγονται από την EMPA περιλαμβάνουν την ενεργοποίηση των μονοπατιών RISK και SAFE, τη βελτίωση μεταβολικών παραμέτρων, την καταστολή της φλεγμονής, και την διατήρηση της ενδοθηλιακής και μικροαγγειακής ακεραιότητας. Αξίζει να επισημανθεί πως η επαγόμενη από την EMPA καρδιοπροστασία διατηρείται ακόμη και όταν η χορήγηση ξεκινήσει αμέσως μετά την επαναιμάτωση, γεγονός που ενισχύει την κλινική μεταφραστικότητα της συγκεκριμένης παρέμβασης. Τα ευρήματα αυτά υποστηρίζουν την έγκαιρη έναρξη χορήγησης EMPA ως μια υποσχόμενη θεραπευτική στρατηγική για την προστασία της καρδιακής και αγγειακής λειτουργίας και τη βελτίωση της πρόγνωσης των ασθενών με ΟΕΜ.