E. CERBAI HEART FAILURE & Co. Milano 9 - 10 aprile 2010 Tenth International Symposium HEART FAILURE & Co. CARDIOLOGY SCIENCE UPDATE FEMALE DOCTORS SPEAKING ON FEMALE DISEASES Milano 9 - 10 aprile 2010 Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure Therapies Farmacologia di genere: le implicazioni per il trattamento dell’insufficienza cardiaca E. CERBAI Università degli Studi di Firenze

Malattie CV e altre cause di morte nelle donne AHA report; (United States: 2006). Source: NCHS and NHLBI.

Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure therapy Aspetti clinici Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche

Differenze di genere nella presentazione clinica di malattie CV Modificato da Regitz-Zagrosek V., Nature Rev Drug Discov 2006 Sintomi e caratteristiche Differenze F vs M Sintomi di infarto miocardico e angina “Angina tipica” meno frequente nelle donne; + spesso nausea, vomito Sensibilità e specificità di ECG sotto sforzo Minore nelle donne  Mortalità post-AMI Maggiore nelle donne Complicazioni (sanguinamento PCA, trombolisi) Complicanze post-CABG Cardiomiopatie F<M (HCM); cardiopatia da stress (Tako-tsubo) più frequente nella donna Cardiopatia e/o coronaropatia diabetica Maggior rischio nelle donne Ipertrofia ventricolare sinistra Più tardiva ma con rischi maggiori nella donna Funzione ventricolare nella HF Minore disfunzione sistolica, maggiore diastolica nelle donne ECG e aritmie QT più lungo, maggiore incidenza di LQTS, TdP e tachicardia nelle donne

Differenze di genere nella eziopatogenesi di HF Nelle donne la funzione sistolica è meglio preservata (da qui la prevalenza relativamente maggiore di insufficienza diastolica). Questa differenza potrebbe essere attribuita a una maggiore protezione nella donna nei confronti di quei meccanismi molecolari e cellulari che portano ad apoptosi, ipertrofia e fibrosi, e quindi a scompenso.

Diagnosi e presentazione clinica di HF: differenze di genere Possono portare a una sottovalutazione della malattia e/o terapia inadeguata Possono comportare rischi diversi (ad esempio di aritmie per interazioni farmacologiche)

Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure therapy Aspetti clinici Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche

Differenze di genere e HF: cosa ci insegnano i modelli sperimentali di malattie CV? Modello Intervento Fenotipo F vs M Ratto SD Banding aorta (TAC) LVH F<M Legatura coronarica (acuto) Infarto miocardico, dimensione F <M Legatura coronarica (cronico) Rimodellamento post-infarto Meglio in F SHR Nessun trattamento o AngII Ipertensione ACE-I o ARB Regressione di LVH Ratto STZ Diabete tipo 1 Disfunzione ventricolare Rimodellamento elettrofisiologico Topo KO ERβ -/- + TAC Rimodellamento Aumentata nelle F -/- Uguale nei M ERα -/- + infarto Danno da ischemia/riperf. Aumentato nei M -/- Modificato da Regitz-Zagrosek V., Nature Rev Drug Discov 2006

Differenze di genere nella patogenesi della HF: meccanismi Effetti CV degli estrogeni, progestinici e androgeni: • Modulazione positiva della produzione di NO: azione anti- ipertrofica, anti-apoptotica e vasodilatante • Funzione vascolare: minore espressione di proteine di adesione e VEGF • Espressione genica a livello cardiomiocitario: ANP, connexine (Cx), matrice extracellulare, ecc. • Signaling cardiomiocitario correlato alla crescita e metabolismo cellulare: modulazione di PI3K e AKT • Modulazione di canali ionici e dell’omeostasi del calcio e recettori beta adrenergici • Modulazione del RAAS e dell’endotelina PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

Differenze di genere nella patogenesi della HF: meccanismi Effetti CV degli estrogeni, progestinici e androgeni: • Modulazione positiva della produzione di NO: azione anti-ipertrofica, anti-apoptotica e vasodilatante • Funzione vascolare: minore espressione di proteine di adesione e VEGF • Espressione genica a livello cardiomiocitario: ANP, connexine (Cx), matrice extracellulare, ecc. • Signaling cardiomiocitario correlato alla crescita e metabolismo cellulare: modulazione di PI3K e AKT • Modulazione neuroumorale (RAAS, endotelina, NE) Modulazione di canali ionici e dell’omeostasi del calcio e recettori beta adrenergici PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

Vie di segnalazione associate alla stimolazione estrogenica nei cardiomiociti Figure 1 | Fig. 1. Genomic and non-genomic signaling pathway of sex steroid hormones. Sex steroid hormones bind to cytosolic sex hormone receptors. Ligand-bound sex hormone receptors translocate into nucleus, dimerizes, and binds to the genes containing hormone responsive element (HRE) in the promoter region, leading to trans-activation or trans-repression (genomic pathway). In addition to the classical genomic pathway, sex steroid hormones exhibit rapid actions via activation of MAP kinase or eNOS in a membrane-limited manner (non-genomic pathway). Furukawa T, Kurokawa J. Pharmacol Ther. 2007 Jul;115(1):106-15.

Differenze di genere nella patogenesi della HF: estrogeni e NO Gli estrogeni aumentano la sintesi di NO attivando la eNOS (endothelial NO synthase) senza modificarne l’espressione. Questo effetto è mediato soprattutto da ERα localizzati nel plasmalemma di cellule endoteliali in speciali invaginazioni (caveolae) I recettori ER legati all’ormone attivano la tirosin kinasi non- recettoriale SRC, la subunità regolatoria di PI3K, promuovendo l’attivazione di PI3K e AKT, con attivazione di eNOS Infine, i recettori ER membranari stimolano eNOS attraverso l’attivazione di proteine G. NO esercita azione anti-ipertrofica e anti-apoptotica e modula i livelli di calcio intracellulare ed EC coupling PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

Differenze di genere nella patogenesi della HF: meccanismi Effetti CV degli estrogeni, progestinici e androgeni: • Modulazione positiva della produzione di NO: azione anti- ipertrofica, anti-apoptotica e vasodilatante • Funzione vascolare: minore espressione di proteine di adesione e VEGF • Espressione genica a livello cardiomiocitario: ANP, connexine (Cx), matrice extracellulare, ecc. • Signaling cardiomiocitario correlato alla crescita e metabolismo cellulare: modulazione di PI3K e AKT • Modulazione neuroumorale (RAAS, endotelina, NE) Modulazione di canali ionici e dell’omeostasi del calcio e recettori beta adrenergici PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

Differenze di genere nella patogenesi della HF: Ang-II e RAAS Ang-II nei cardiomiociti di ratti STZ La protezione CV nelle donne in pre- menopausa sembra associata all’inibizione del RAAS da parte degli estrogeni. Gli estrogeni endogeni (non quelli esogeni) inibiscono la sintesi di angiotensinogeno nel fegato e l’espressione dei recettori AT1 nel miocardio, mentre l’espressione di AT2 sembra aumentata nel cuore e nel rene. Gli estrogeni esogeni agiscono in maniera diversa e possono indurre, anziché inibire, la sintesi epatica di angiotensinogeno. Male Female PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT Shimoni et al., Am J Physiol 287: H311-H319, 2004;

Meccanismi molecolari delle differenze di genere: catecolamine Il trasportatore delle catecolamine (NorEpinephrine Transporter o NET) è meno attivo nel genere femminile. La sovrastimolazione adrenergica è stata associata alla cardiopatia di Tako-tsubo (TTC) che ha una netta prevalenza nel genere femminile. La diminuzione degli estrogeni nella menopausa potrebbe quindi predisporre, tra l’altro, a TTC. Tra le varie azioni di NO, c’è anche un effetto antiadrenergico (mediato soprattutto dalla nNOS miocitaria) che limita gli effetti della beta-stimolazione. PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

Differenze di genere nella patogenesi della HF: meccanismi Effetti CV degli estrogeni, progestinici e androgeni: • Modulazione positiva della produzione di NO: azione anti- ipertrofica, anti-apoptotica e vasodilatante • Funzione vascolare: minore espressione di proteine di adesione e VEGF • Espressione genica a livello cardiomiocitario: ANP, connexine (Cx), matrice extracellulare, ecc. • Signaling cardiomiocitario correlato alla crescita e metabolismo cellulare: modulazione di PI3K e AKT • Modulazione neuroumorale (RAAS, endotelina, NE) • Modulazione di canali ionici e dell’omeostasi del calcio e recettori beta adrenergici PI3K phosphatidylinositol 3-kinase protein kinase B/AKT

*NO * * * * * * Excitation-contraction coupling e NO depolarization ATPase Ca NCX Ca Na * ICaL * Efflux * RyR2 Calstabin2 SERCA2 CICR SR Ca2+ store Ca2+ reuptake * PLN T-tubule Ca2+ release Contraction Relaxation * Nediani , Borchi, Raimondi & Cerbai , ARS 2010

Differenze di genere nella patogenesi della HF: meccanismi elettrofisiologici L’elettrogenesi cardiaca differisce nei due sessi. Le donne hanno : una frequenza cardiaca a riposo più alta maggiore heart-rate variability QTc più lungo prolungamento di QTc maggiore alle basse frequenze maggiore suscettibilità a TdP

Potenziale d’azione ventricolare, conduttanze ioniche e modulazione da parte di estrogeni/androgeni = 17-β estradiol = testosterone      =  

Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure therapy Aspetti clinici Meccanismi molecolari Implicazioni farmacologiche

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Digossina ACE-I Beta-bloccanti Aspirin Diuretici Statine Sotalolo e farmaci che prolungano QT

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Rathore et al., N Engl J Med. 2002;347(18):1403 Digossina La terapia con digossina è associata ad un aumentato rischio nella donna – ma non nell’uomo – con HF o disfunzione ventricolare. La maggiore suscettibilità può essere dovuta a differenze farmacocinetiche ( conc. plasmatica di farmaco libero,  binding muscolo scheletrico) Dose-related effects, as well as an interaction with HRT, were discussed as potential explanations for this unanticipated result. Higher serum digoxin concentrations were associated with increased crude all-cause mortality in men. In women, a similar trend was observed, but did not reach significance because the number of women participating in the study was too small. In the absence of definitive evidence, doses should now be used that lead to plasma levels below 0.8 ng per ml. These data reinforce the possibilities ofgender- related effects and therefore underscore the need to perform gender-specific analysis and to include sufficient numbers of women in trials

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Digossina ACE-I Beta-bloccanti Aspirin Diuretici Statine Sotalolo e farmaci che prolungano QT

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Wing et al., N Engl J Med. 2003;348:583 ACE-I In several multicentre studies, angiotensin-converting enzyme inhibitor (ACEI) data are insufficient to prove a mortality reduction in women. In Consensus I, SAVE and SOVLD, only small percentages of women were included. A meta-analysis including 7,105 heart-failure patients. claimed that the effects were comparable in women and men, but detailed data by gender were not included. The apparent lack of evidence in women could reflect the small number of women treated, as was the case in the beta-blocker studies. Later trials, such as AIRE and HOPE, showed a significant benefit of ACEI in women. However, the recent Second Australian National Blood Pressure Study demonstrated a significant reduction in cardiovascular events in men, but not in women, despite similar reductions in blood pressure in both sexes. The side effects of ACEIs (for example, cough) are reported more frequently in women (lisinopril, perindopril) mackay 1999. A number of questions concerning the sex-specific mechanisms of ACEIs therefore remain to be answered.

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Digossina ACE-I Beta-bloccanti Diuretici Aspirin Statine Sotalolo e farmaci che prolungano QT

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Luzier et al., Clin Pharmacol Ther. 1999; 66:594 Beta-bloccanti I risultati dei grandi trial clinici (MERIT, CIBIS II, COPERNICUS) hanno portato a risultati inconcludenti nelle donne perché poco rappresentate nella coorte dei pazienti. Differenze di genere nella farmacocinetica possono esporre a concentrazioni plasmatiche più elevate. S-metoprololo R-metoprololo Donne Uomini Pooling of mortality results from MERIT Heart Failure, CIBIS II and COPERNICUS showed survival benefits in both women and men.Fitted plasma concentration (mean and SEM) versus time profile for each enantiomer in male (circles) and female (diamonds) subjects. (R)-Metoprolol is represented by the open symbols; (S)-metoprolol is represented by the solid symbols.

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Digossina ACE-I Beta-bloccanti Diuretici Aspirin Statine Sotalolo e farmaci che prolungano QT

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Toner et al., Br J Clin Pharmacol 1984;18:449–52 Diuretici I diuretici sono in generale più usati nelle donne, anche se possono dare eventi avversi più frequenti. Ad esempio, iponatremia e ipopotassemia sono più probabili nelle donne, e associate a effetti collaterali più gravi (LQTS e aritmie). Donne Uomini Figure 2. Distribution of serum potassium in 102 women ([black small square]) and men ([white square]) taking 5 mg of bendrofluazide daily for hypertension. This dosage is equivalent to 100 mg of hydrochlorothiazide. (Reproduced from Toner JM, Ramsay LE. Thiazide-induced hypokalemia; prevalence higher in women. Br J Clin Pharmacol 1984;18:449–52. Copyright © 1984 Blackwell Science Ltd. Used with permission.)

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca Digossina ACE-I Beta-bloccanti Diuretici Aspirin Statine Sotalolo e farmaci che prolungano QT

Farmacoterapia della HF: LQT e rischio aritmogeno Mutazioni a carico di canali ionici causano la LQT syndrome. LQT1 e LQT2 sono dovute a mutazioni dei canali di potassio IKs e IKr, rispettivamente; LQT3 del canale del sodio. LQT1 e LQT2 sono più gravi.

Farmacoterapia della HF: LQT e rischio aritmogeno Genotipo/ Frequenza Trasmissione Cromosoma-Gene Proteina-subunità Meccanismo LQT1 +++ LQT4 - Autosomica dominante 11-KVLQT1 (KCNQ1) 21-minK (KCNE1) IKs – IKs - Diminuita corrente di K LQT2 ++ LQT6 - 7-HERG (KCNH2) 21-MiRP1 (KCNE2) IKr - IKr - LQT3 + 3-SNC5A INa - Aumentata corrente di Na LQT5 +/- LQT7 - 4-ANKB 17-KCNJ2 Ankyrin-β IK1 - JLN1 + JLN2 Autosomica recessiva 11-KvLQT1 21-minK IKs - Acquired (drug-induced) HERG IKr

Farmacoterapia della HF: LQT e rischio aritmogeno K+ K+ Na+ Na+ LQT

Cumulative probability of the first cardiac event in long QT syndrome carriers age ≤ 15 years by gender and genotype Zareba et al., JACC 2003; 42:103-109 I pazienti LQT1 e LQT2 hanno maggior rischio di eventi. Nell’infanzia, il rischio di eventi cardiaci è maggiore nei maschi LQT1 rispetto alle femmine LQT1, simile per pazienti LQT2 e LQT3. Figure 1. Cumulative probability of the first cardiac event in long QT syndrome carriers age ≤ 15 years by gender and genotype. P value is computed based on multivariate Cox model. Observation time censored at age 16 years. Numbers of males and females at risk are provided. See Abbreviations box for definitions.

Cumulative probability of the first cardiac event in long QT syndrome carriers age 16 to 40 years by gender and genotype, conditional on no cardiac event before age 16 Zareba et al., JACC 2003; 42:103-109 Negli adulti, le donne LQT1 e LQT2 hanno maggior rischio di eventi cardiaci degli uomini, nei quali il testosterone contribuisce ad accorciare QT. Non esistono differenze di genere per LQT3. Figure 1. Cumulative probability of the first cardiac event in long QT syndrome carriers age ≤ 15 years by gender and genotype. P value is computed based on multivariate Cox model. Observation time censored at age 16 years. Numbers of males and females at risk are provided. See Abbreviations box for definitions.

Differenze farmacocinetiche: le donne hanno Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca: meccanismi Differenze farmacocinetiche: le donne hanno minor peso corporeo e rapporto muscolo/grasso minore attività di alcuni citocromi P450 (CYP1A, CYP2E1) minor attività della glicoproteina P minore attività degli enzimi di fase 2 glucurono- e solfo-trasferasi maggiore attività di CYP2D6 e CYP3A (incerto)

Differenze di genere nella risposta alla terapia dell’insufficienza cardiaca: meccanismi Differenze farmacocinetiche Differenze farmacodinamiche

Potenziale d’azione ventricolare, conduttanze ioniche e modulazione da parte di estrogeni/androgeni = 17-β estradiol = testosterone = HF Farmaci (ad es., sotalolo) Diuretici (ipokalemia)         =    

Farmaci, cardiomiopatie, Fattori congeniti, alterazioni acquisite e farmaci cooperano al rischio aritmogeno nell’insufficienza cardiaca Farmaci, cardiomiopatie, squilibri ionici Acquisita Mutazioni, polimorfismi, differenze di genere Congenita

Effetto del farmaco su HERG Fattori congeniti, alterazioni acquisite e farmaci cooperano al rischio aritmogeno nell’insufficienza cardiaca HF: ridotta riserva di ripolarizzazione Genere femminile Effetto del farmaco su HERG Prolungamento del QT

Fattori congeniti, alterazioni acquisite e farmaci cooperano al rischio aritmogeno nell’insufficienza cardiaca Farmaci che prolungano QT Antiaritmici di Classe I e III (amiodarone, sotalolo, chinidina, procainamide, etc.) Fenotiazine (haloperidolo, clorpromazina, ..) Antidepressivi Triciclici (imipramina, nortriptilina, ..) Antiistaminici Non-sedativi (terfenadina, astemizolo) Macrolidi (eritromicina, azithomicina,..) Procinetici (cisapride) Stimolanti Agonisti Adrenergici Metilxantine Anti-asmatici Droghe d’abuso (cocaina, ecc.) Blocco di HERG

È necessario un approccio integrato fisiopatologico Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure therapy È necessario un approccio integrato fisiopatologico cellulare e molecolare farmacologico clinico per comprendere l’entità e la rilevanza delle differenze di genere nell’ottimizzazione e personalizzazione della terapia per l’insufficienza cardiaca.

Gender-Specific Pharmacology: Implications for Heart Failure therapy Grazie!

Differenze di genere nella incidenza di malattie cardiovascolari* * CAD, HF, stroke, hypertension; AHA report 2010; Source: NCHS and NHLBI.

Vie di segnalazione associate alla stimolazione estrogenica nei cardiomiociti Figure 1 | Multiple signalling pathways of oestrogen in cardiovascular cells. Oestrogen (E2) can activate a cytosolic protein-bound oestrogen receptor (ER) that then shuttles into the nucleus and activates gene transcription (a). DNA binding can occur in the form of homo- or heterodimers. Several cofactors, which are partially shared with other nuclear receptors (NRs) such as peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), are required for the activation of gene transcription56,116. ERs can also control gene transcription by modulating the activity of other transcription factors53,55 (b). In addition, oestrogen can induce membrane association of an ER (c), which subsequently stimulates SRC, phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K), AKT and glycogen synthase kinase-β (GSK3β), which, in turn, leads to activation of nitric oxide synthase (NOS) and subsequent production of nitric oxide. Membrane association is facilitated by adaptor proteins (X), such as caveolin. Some of these functions of ERα can also be accomplished by the 46-kDa isoform of ERα74. ERα also interacts with the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway72 (d). This pathway involves SRC, RAS and RAF, and is probably facilitated by small adaptor and scaffold proteins; it could involve other membrane receptors73 (e). The G-protein-coupled receptor GPR30 has been suggested as a new ER and is believed to signal via MAPKs57. Oestrogen can also modulate calcium influx at the L-type calcium channel or calcium handling at the sarcoplasmatic reticulum (f). Growth factors (GF) can activate ERs in a ligand-independent manner59,60 (g). In addition, oestrogen can exert its effects via receptor-independent mechanisms (h), via metabolites of oestradiol, particularly catechol-oestradiols and methoxy-oestradiols58. ERE, oestrogen-responsive elements; SERCA, sarcoendoplasmic reticulum Ca2+ ATPase. Regitz-Zagrosek V., Nature Rev Drug Discov 2006

Drug-Induced QT Prolongation in Women During the Menstrual Cycle Rodriguez et al., JAMA 2001; 285:1322 Mean Change in QTc Interval AUC - First hour after ibutilide infusion Baseline QTc interval Prolongation of the QT interval can also be caused by drugs that have the potential to block the cardiac voltage gated potassium channels (discussed later) and is more frequent in women38. The risk varies during the menstrual cycle39 and is affected by progesterone and oestrogen.

Differenze di genere nella eziopatogenesi della HF Malattia CV Differenze M vs F Note Infarto miocardico Età di comparsa Fattori di rischio 15 anni + tardi nelle donne Diabete e ipertensione F>M Ipertensione Prevalenza aumenta bruscamente in menopausa Insufficienza cardiaca Mortalità Peso de fattori di rischio F < M Morte improvvisa Prevalenza M>F Modificato da Regitz-Zagrosek V., Nature Rev Drug Discov 2006

Differenze di genere nella prevalenza di HF (AHA, NHANES: 2003-2006).

Differenze di genere nella incidenza di HF AHA report: FHS 1980-2003 HF based on physician review of medical records and strict diagnostic criteria.

Differenze di genere nella patogenesi della HF Hypertrophy-induced and sex-specific gene expression. mRNA expression levels of a selection of hypertrophy markers (a) and a selection of Y-linked (b) and X-linked (c) genes analyzed by microarray are shown. The mean mRNA expression level of the 16 individual samples is set as zero and shown in black for each gene. A relative upregulation to that mean value is shown in red. The brighter the red appears the stronger the mRNA expression is upregulated. A relative downregulation to the mean value is shown in green. The brighter the green appears the stronger the mRNA expression is downregulated. False discovery rate (TAC vs. sham) <1% (SAM) false discovery rate (female vs. male) <10% (SAM) Witt et al., J Mol Med (2008) 86:1013–1024

Potenziale d’azione ventricolare in cardiomiociti da pazienti con HF sottoposti a trapianto cardiaco A: Action potential (AP) recording (top right) and its time derivative following the AP upstroke (dV/ dt; bottom right) illustrating the analyzed AP parameters. Left: time derivative during the AP upstroke on an expanded time scale. See text for abbreviations. B: Superimposed representative APs from a single male and female ventricular myocyte (VM) at cycle length of 2 seconds. C: Average AP duration at 90% repolarization (APD90) of each heart. D: Superimposed representative APs from a female VM at 2 and 5-s cycle lengths. Note the early afterdepolarization (arrow) at 5-s cycle length. Note different time scales in panels B and D. Verherk et al., Int Heart J 2005

Differenze di genere nei fattori prognostici e biomarkers: BNP Brain natriuretic peptide (BNP) è un marker importante per l’insufficienza cardiaca sistolica e diastolica. Tuttavia, è necessario tener conto delle differenze di genere nell’interpretazione dei livelli di BNP, che sono normalmente più alti nelle donne, ma aumentano meno (paradossalmente) nella malattia anche a parità di disfunzione ventricolare, diminuendo la sensibilità di BNP. (Maisel et al., Am Heart J 2004;147:1078–84.)