Hipoxia hipobárica intermitente: efectos agudos y crónicos en la función, estructura y estrés oxidativo cardiovascular

Abstract

Hypoxia is the deficit of tissue oxygenation, which is generated when oxygen is not enough to satisfy metabolic demands. Hypobaria is defined as the decrease in barometric pressure that rises at high altitude, relative to sea level, starting at 2500 meters above sea level. In Chile, workers of the high-altitude mines (> 2,500 m) experience this condition intermittently, and in a smaller population the workers of customs, border control, members of the army, tourist guides and mountaineers. Environmental hypoxia induces several responses in the organism, mainly at the pulmonary and cardiovascular level. Previous studies associates the exposure of 4-cycle Intermittent Hypobaric Hypoxia (IHH) with cardioprotective effects, such as a better recovery of the pressure developed by the left ventricle, a decrease in oxidative stress, and an increase antioxidant capacity of the heart. Other studies show an enhance function of the left ventricle and the prevention of cell death. These changes are associated with coronary vaso-dilation and myocardial angiogenesis. Furthermore, the prolongation of the hypoxic intermit-tence decreases heart rate, induces a dilatation of the right ventricle and enhances plasma triglycerides. However, few is known about the cardiovascular responses of the prolonged IHH. Given the above, and the impact it could have on the health of high-altitude workers in Chile and the world, the aim of this work is to describe in a rat model, the effects on cardiac and vascular function on different expositions - Acute and Chronic Intermittent Hypobaric Hypoxia. Adult Wistar rats (n = 24) were separated into 4 equal groups: 1) IHH of 4 cycles, acute (HIA), 2) IHH of 12 cycles, chronic (HIC) and, 3 and 4) their normobaric controls. IHH was induced in a hypobaric chamber every 4 days (1 cycle = 4 days of hypoxia x 4 days at normoxia) at an environmental pressure equivalent to 4,600 m of altitude (428 Torr). At the end of each cycle, cardiac functional and structural variables were determined through echocardiography (in vivo). Further, at the end of the IHH exposition (4 or 12 cycles), we obtained samples to assess vas-cular function by wire myography, and cardiac and vascular histological properties. In addition, we determined cardiac biochemical markers of the cellular response to hypoxia such as Hy-poxia inducible factors type 1 and 2 (HIF 1-2), markers of oxidative stress and antioxidant ca-pacity. Our findings revealed a higher ejection (EF%) and shortening fraction (SF%), improve vasodilatory capacity of the studied arteries and a greater expression of antioxidant enzymes in HIA, as compared with the respective controls. In addition, a remodeling of the right ventricle was found, without compromising the septum or the left ventricle while there was an increase 8 in the thickness of carotid muscular layer. In contrast, HIC presented a maintenance of cardiac function, increased oxidative stress and femoral vascular remodeling with decreased vasodila-tor capacity. These findings suggest that the cardiovascular responses to hypoxia are time de-pendent of IHH exposition, which can define different pharmacological targets according to the time of exposure to hypobaric hypoxia.

La hipoxia es el déficit de la oxigenación en los tejidos, el cual se genera cuando el oxígeno suministrado no es suficiente para satisfacer las demandas metabólicas. Hipobaria se define como la disminución de la presión barométrica a medida que se asciende en altura, respecto del nivel del mar. Esta determina respuestas fisiológicas clínicamente evidentes a alturas su-periores a los 2500 metros. En Chile la fuerza laboral de la minería en tierras altas (> 2.500 msnm) es la que experimenta esta condición de manera intermitente, y en una población menor los trabajadores de aduana, control fronterizo, miembros del ejército, guías de turismo y mon-tañistas. La hipoxia ambiental genera diferentes respuestas adaptativas en el organismo prin-cipalmente a nivel pulmonar y cardiovascular. Estudios previos muestran efectos cardioprotec-tores en un modelo de Hipoxia Hipobárica Intermitente (HHI) de 4 ciclos tales como una mejor recuperación de la presión desarrollada por el ventrículo izquierdo, disminución de estrés oxi-dativo, y un aumento de la actividad antioxidante cardiaca. Además, esto mejora la función del ventrículo izquierdo y previene la muerte celular, asociada a vasodilatación coronaria y angio-génesis miocárdica, durante ciclos de hipobária intermitente de corta duración. Pese a esto, se ha observado que la prolongación de esta intermitencia podría originar maladaptaciones, aso-ciadas al aumento del estrés oxidativo, aumento persistente de la presión arterial sistémica, reducción de la frecuencia cardiaca, dilatación del ventrículo derecho, y aumento de triglicéri-dos plasmáticos. Sin embargo, poco se sabe acerca de los efectos cardiovasculares según el tiempo de exposición. Dado lo anterior, esta tesis tiene como objetivo describir en un modelo murino, los efectos en la función cardíaca y vascular de la exposición a Hipoxia Hipobárica Intermitente Aguda (HIA) y Crónica (HIC). Para esto se utilizaron Ratas Wistar adultas (n=24) separadas en 4 grupos iguales: 1) HHI de 4 ciclos, aguda (HIA), 2) HHI de 12 ciclos, crónica (HIC) y, 3 y 4) sus controles normobáricos respectivos. La HHI fue inducida en una cámara hipobárica durante 4 días, cada 4 días (1 ciclo= 4 días de hipoxia x 4 días normoxia) a una presión ambiental equivalente a 4,600 mts de altitud (428 Torr). Al término de cada exposición se determinaron variables funcionales y estructurales cardiacas a través de parámetros ecocardiográficos (in vivo). Al término de la exposición (4 y 12 ciclos), se obtuvieron muestras para determinar función vascular por mio-grafía de alambre, y la estructura vascular y cardíaca mediante histología. Se midieron además marcadores bioquímicos de la respuesta celular a hipoxia: factor inducible por hipoxia tipo 1 y 2 (HIF 1-2), biomarcadores de estrés oxidativo y capacidad antioxidante. Nuestros hallazgos destacan una mayor fracción de eyección (FE%) y fracción de acortamiento (FA%) cardiaco, 10 mejor capacidad vasodilatadora de las arterias estudiadas y una mayor expresión de enzimas antioxidantes en HIA, al ser comparado con los controles respectivos. Además, se encontró una remodelación del ventrículo derecho, sin compromiso del septum ni del ventrículo iz-quierdo mientas que a nivel vascular las carótidas generaron un aumento del espesor de la capa muscular. En contraste, HIC presentó una mantención de la función cardíaca, mayor es-trés oxidativo y remodelamiento vascular femoral con disminución de la capacidad vasodilata-dora. Estos hallazgos sugieren que la respuesta cardiovascular a HHI es dependiente del tiempo de exposición, con lo cual se podrán definir distintos blancos farmacológicos según el tiempo de exposición a hipoxia hipobárica.