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Despite important advances in diagnosis and treatment, heart failure (HF) remains a syndrome with substantial morbidity and dismal prognosis. Although implementation and optimization of existing technologies and drugs may lead to better management of HF, new or alternative strategies are desirable. In this regard, basic science is expected to give fundamental inputs, by expanding the knowledge of the pathways underlying HF development and progression, identifying approaches that may improve HF detection and prognostic stratification, and finding novel treatments. Here, we discuss recent basic science insights that encompass major areas of translational research in HF and have high potential clinical impact.
Aims
Heart failure (HF) leads to repeat hospitalisations and reduces the duration and quality of life. Pulmonary artery pressure (PAP)‐guided HF management using the CardioMEMS™ HF system was shown to be safe and reduce HF hospitalisation (HFH) rates in New York Heart Association (NYHA) class III patients. However, these findings have not been replicated in health systems outside the United States. Therefore, the CardioMEMS European Monitoring Study for Heart Failure (MEMS‐HF) evaluated the safety, feasibility, and performance of this device in Germany, The Netherlands, and Ireland.
Methods and results
A total of 234 NYHA class III patients (68 ± 11 years, 22% female, ≥1 HFH in the preceding year) from 31 centres were implanted with a CardioMEMS sensor and underwent PAP‐guided HF management. One‐year rates of freedom from device‐ or system‐related complications and from sensor failure (co‐primary outcomes) were 98.3% [95% confidence interval (CI) 95.8–100.0] and 99.6% (95% CI 97.6–100.0), respectively. Survival rate was 86.2%. For the 12 months post‐ vs. pre‐implant, HFHs decreased by 62% (0.60 vs. 1.55 events/patient‐year; hazard ratio 0.38, 95% CI 0.31–0.48; P < 0.0001). After 12 months, mean PAP decreased by 5.1 ± 7.4 mmHg, Kansas City Cardiomyopathy Questionnaire (KCCQ) overall/clinical summary scores increased from 47.0 ± 24.0/51.2 ± 24.8 to 60.5 ± 24.3/62.4 ± 24.1 (P < 0.0001), and the 9‐item Patient Health Questionnaire sum score improved from 8.7 ± 5.9 to 6.3 ± 5.1 (P < 0.0001).
Conclusion
Haemodynamic‐guided HF management proved feasible and safe in the health systems of Germany, The Netherlands, and Ireland. Physician‐directed treatment modifications based on remotely obtained PAP values were associated with fewer HFH, sustainable PAP decreases, marked KCCQ improvements, and remission of depressive symptoms.
Aims
Despite recent advances in the treatment of chronic heart failure (HF), mortality and hospitalizations still remain high. Additional therapies to improve mortality and morbidity are urgently needed. The efficacy of cardiac glycosides – although regularly used for HF treatment – remains unclear. DIGIT-HF was designed to demonstrate that digitoxin on top of standard of care treatment improves mortality and morbidity in patients with HF and a reduced ejection fraction (HFrEF).
Methods
Patients with chronic HF, New York Heart Association (NYHA) functional class III–IV and left ventricular ejection fraction (LVEF) ≤ 40%, or patients in NYHA functional class II and LVEF ≤ 30% are randomized 1:1 in a double-blind fashion to treatment with digitoxin (target serum concentration 8–18 ng/mL) or matching placebo. Randomization is stratified by centre, sex, NYHA functional class (II, III, or IV), atrial fibrillation, and treatment with cardiac glycosides at baseline. A total of 2190 eligible patients will be included in this clinical trial (1095 per group). All patients receive standard of care treatment recommended by expert guidelines upon discretion of the treating physician. The primary outcome is a composite of all-cause mortality or hospital admission for worsening HF (whatever occurs first). Key secondary endpoints are all-cause mortality, hospital admission for worsening HF, and recurrent hospital admission for worsening HF.
Conclusion
The DIGIT-HF trial will provide important evidence, whether the cardiac glycoside digitoxin reduces the risk for all-cause mortality and/or hospital admission for worsening HF in patients with advanced chronic HFrEF on top of standard of care treatment.
Although heart failure following myocardial infarction (MI) represents a major health burden, underlying microstructural and functional changes remain incompletely understood. Here, we report on a case of unexpected MI after treatment with the catecholamine isoproterenol in an experimental imaging study in mice using different state-of-the-art imaging modalities. The decline in cardiac function was documented by ultrahigh-frequency echocardiography and speckle-tracking analyses. Myocardial microstructure was studied ex vivo at a spatial resolution of 100 × 100 × 100 μm\(^{3}\) using diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) and histopathologic analyses. Two weeks after ISO treatment, the animal showed an apical aneurysm accompanied by reduced radial strain in corresponding segments and impaired global systolic function. DT-MRI revealed a loss of contractile fiber tracts together with a disarray of remaining fibers as corresponding microstructural correlates. This preclinical case report provides valuable insights into pathophysiology and morphologic–functional relations of heart failure following MI using emerging imaging technologies.
Despite recent therapeutic advances the prognosis of heart failure remains poor. Recent research suggests that heart failure is a heterogeneous syndrome and that many patients have stimulating auto-antibodies directed against the second extracellular loop of the \(β_1\) adrenergic receptor \((β_1EC2)\). In a human-analogous rat model such antibodies cause myocyte damage and heart failure. Here we used this model to test a novel antibody-directed strategy aiming to prevent and/or treat antibody-induced cardiomyopathy. To generate heart failure, we immunised n = 76/114 rats with a fusion protein containing the human β1EC2 (amino-acids 195–225) every 4 weeks; n = 38/114 rats were control-injected with 0.9% NaCl. Intravenous application of a novel cyclic peptide mimicking \(β_1EC2\) (\(β_1EC2-CP\), 1.0 mg/kg every 4 weeks) or administration of the \(β_1-blocker\) bisoprolol (15 mg/kg/day orally) was initiated either 6 weeks (cardiac function still normal, prevention-study, n = 24 (16 treated vs. 8 untreated)) or 8.5 months after the 1st immunisation (onset of cardiomyopathy, therapy-study, n = 52 (40 treated vs. 12 untreated)); n = 8/52 rats from the therapy-study received \(β_1EC2-CP/bisoprolol\) co-treatment. We found that \(β_1EC2-CP\) prevented and (alone or as add-on drug) treated antibody-induced cardiac damage in the rat, and that its efficacy was superior to mono-treatment with bisoprolol, a standard drug in heart failure. While bisoprolol mono-therapy was able to stop disease-progression, \(β_1EC2-CP\) mono-therapy -or as an add-on to bisoprolol- almost fully reversed antibody-induced cardiac damage. The cyclo¬peptide acted both by scavenging free \(anti-β_1EC2-antibodies\) and by targeting \(β_1EC2\)-specific memory B-cells involved in antibody-production. Our model provides the basis for the clinical translation of a novel double-acting therapeutic strategy that scavenges harmful \(anti-β_1EC2-antibodies\) and also selectively depletes memory B-cells involved in the production of such antibodies. Treatment with immuno-modulating cyclopeptides alone or as an add-on to \(β_1\)-blockade represents a promising new therapeutic option in immune-mediated heart failure.
Herzinsuffizienz ist eine sehr häufige Erkrankung vor allem des höheren Lebensalters. Biomarker wie NT-proBNP, BNP, hsCRP haben neben ihrer Bedeutung für die Diagnose einer akuten Herzinsuffizienz einen großen Stellenwert in der Abschätzung der Prognose eines Patienten. Die prognostische Relevanz dieser Marker konnte auch bei nicht herzinsuffizienten, anderweitig kranken Patienten gezeigt werden. Unklar und wenig erforscht ist die Aussagekraft von Biomarkern in einem Kollektiv nicht akut dekompensierter Patienten, welche sich ambulant bei ihrem Hausarzt vorstellen. Die Handheld-BNP-Studie untersuchte im primärärztlichen Bereich das diagnostische Potential von BNP und der miniaturisierten Echokardiographie. Die vorliegende Follow-up-Studie untersucht die prognostische Relevanz von BNP sowie vergleichend den prognostischen Wert von NT-proBNP und der Kardiologendiagnose. Auch die prognostische Aussagekraft der inflammatorischen Marker hsCRP und TNF-ɑ, ebenso wie die Frage, ob durch eine Kombination der Marker die prognostische Abschätzung weiter gesteigerter werden kann, ist Gegenstand dieser Arbeit. Zuletzt wurde eine multivariate Regressionsanalyse durchgeführt, um den unabhängigen prognostischen Wert der Biomarker zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass bei diagnostisch naiven Patienten mit dem klinisch-anamnestischen Verdacht auf das Vorliegen einer Herzinsuffizienz das kardiale wie auch das nicht-kardiale Mortalitätsrisiko sowie die Rate an Hospitalisierungen gegenüber der Allgemeinbevölkerung gleichen Alters erhöht sind, unabhängig vom Vorliegen einer Herzinsuffizienz. Eine Bestimmung der Biomarker BNP, NT-proBNP, hsCRP und TNF-ɑ erwies sich in diesem Kollektiv als hilfreich, diejenigen mit erhöhtem Risiko zu erkennen.
Die Deletion des AT2-Rezeptors (AT2-KO) führt zu erhöhter Blutdruckempfindlichkeit und vaskulärer Hypertrophie durch Aktivitätszunahhme der P70S6-Kinase. Die Vasodilatation von Blutgefäßen wird maßgeblich durch beta1-adrenerge Rezeptoren vermittelt. Die Deletion von alpha2-adrenergen Rezeptoren (alpha2-KO) führt zur Entwicklung einer Herzinsuffizienz nach Aortenstenose. Der Mortalitätanstieg ist mit erhöhten Plasmanoradrenalin-Spiegeln (a2A-KO), bzw. Plasmaadrenalin-Spiegeln (a2C-KO) assoziiert.
Die Na+ /K+ -ATPase (NKA) ist maßgeblich an der Regulation der kardialen Na+ -Homöostase beteilligt. Im Myokard werden hauptsächlich zwei Isoformen exprimiert: die α1 (NKA-α1) und die α2-Isoform (NKA-α2). Diese beiden Isoformen unterscheiden sich sowohl in ihrer Lokalisation als auch in ihrer zellulären Funktion. So ist die NKA-α1 recht homogen entlang des Sarkolemms zu finden und ist verantwortlich für die Regulation der globalen intrazellulären Na+ -Konzentration ([Na+ ]i). Die NKA-α2 hingegen konzentriert sich hauptsächlich in den T-Tubuli und beeinflusst über Veränderung der lokalen [Na+ ]i die Ca2+ -Transienten und die Kontraktilität. Im Rahmen einer Herzinsuffizienz wurde eine verminderte Expression und Aktivität der NKA beobachtet. Gleichzeitig werden Inhibitoren der NKA, sogenannte Digitalisglykoside, in fortgeschrittenen Herzinsuffizienz-Stadien eingesetzt. Die Studienlage über den Einsatz dieser Therapeutika ist recht uneinheitlich und reicht von einer verringerten Hospitalisierung bis hin zu einer erhöhten Mortalität. Ziel dieser Arbeit war es die Folgen einer NKA-α2 Aktivierung während einer Herzinsuffizienz mit Hilfe eines murinen Überexpressionsmodells zu analysieren. 11-Wochen alte Mäuse mit einer kardialen NKA-α2 Überexpression (NKA-α2) und Wildtyp (WT) Versuchstiere wurden einem 8-wöchigen Myokardinfarkt (MI) unterzogen. NKA-α2 Versuchstiere waren vor einem pathologischem Remodeling und einer kardialen Dysfunktion geschützt. NKA-α2 Kardiomyozyten zeigten eine erhöhte Na+ /Ca2+ -Austauscher (NCX) Aktivität, die zu niedrigeren diastolischen und systolischen Ca2+ -Spiegeln führte und einer Ca2+ -Desensitisierung der Myofibrillen entgegenwirkte. WT Versuchstiere zeigten nach chronischem MI eine sarkoplasmatische Ca2+ -Akkumulation, die in NKA-α2 Kardiomyozyten ausblieb. Gleichzeitig konnte in der NKA-α2 MI Kohorte im Vergleich zu den WT MI Versuchstieren eine erhöhte Expression von β1-adrenergen Rezeptoren (β1AR) beobachtet werden, die eine verbesserte Ansprechbarkeit gegenüber β-adrenergen Stimuli bewirkte. Zudem konnte in unbehandelten Versuchstieren eine Interaktion zwischen NKA-α2 und dem β1AR nachgewiesen werden, welche in der WT Kohorte größer ausfiel als in der NKA-α2 Versuchsgruppe. Gleichzeitig zeigten unbehandelte NKA-α2 Kardiomyozyten eine erhöhte Sensitivität gegenüber β-adrenerger Stimulation auf, welche nicht mit einer erhöhten Arrhythmie-Neigung oder vermehrten Bildung reaktiver Sauerstoffspezies einherging. Diese Untersuchungen zeigen, dass eine NKA-α2 Überexpression vor pathologischem Remodeling und einer kardialen Funktionbeeinträchtigung schützt, indem eine systolische, diastolische und sarkoplasmatische Ca2+ -Akkumulation verhindert wird. Gleichzeitig wird die β1AR Expression stabilisert, wodurch es zu einer verminderten neurohumoralen Aktivierung und einer Durchbrechung des Circulus vitiosus kommen könnte. Insgesamt scheint eine Aktivierung der NKA-α2 durchaus ein vielversprechendes Target in der Herzinsuffizienz Therapie darzustellen.
Therapie darzustellen.
Heart failure is one of the growing causes of death especially in developed countries due to longer life expectancy. Although many pharmacological and instrumental therapeutic approaches have been introduced for prevention and treatment of heart failure, there are still limitations and challenges. Nuclear cardiology has experienced rapid growth in the last few decades, in particular the application of single photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET), which allow non-invasive functional assessment of cardiac condition including neurohormonal systems involved in heart failure; its application has dramatically improved the capacity for fundamental research and clinical diagnosis. In this article, we review the current status of applying radionuclide technology in non-invasive imaging of neurohormonal system in the heart, especially focusing on the tracers that are currently available. A short discussion about disadvantages and perspectives is also included.
Background: \(^{18}\)F-N-[3-bromo-4-(3-fluoro-propoxy)-benzyl]-guanidine (\(^{18}\)F-LMI1195) is a new class of PET tracer designed for sympathetic nervous imaging of the heart. The favorable image quality with high and specific neural uptake has been previously demonstrated in animals and humans, but intracellular behavior is not yet fully understood. The aim of the present study is to verify whether it is taken up in storage vesicles and released in company with vesicle turnover.
Results: Both vesicle-rich (PC12) and vesicle-poor (SK-N-SH) norepinephrine-expressing cell lines were used for in vitro tracer uptake studies. After 2 h of \(^{18}\)F-LMI1195 preloading into both cell lines, effects of stimulants for storage vesicle turnover (high concentration KCl (100 mM) or reserpine treatment) were measured at 10, 20, and 30 min. \(^{131}\)I-meta-iodobenzylguanidine (\(^{131}\)I-MIBG) served as a reference. Both high concentration KCl and reserpine enhanced \(^{18}\)F-LMI1195 washout from PC12 cells, while tracer retention remained stable in the SK-N-SH cells. After 30 min of treatment, 18F-LMI1195 releasing index (percentage of tracer released from cells) from vesicle-rich PC12 cells achieved significant differences compared to cells without treatment condition. In contrast, such effect could not be observed using vesicle-poor SK-N-SH cell lines. Similar tracer kinetics after KCl or reserpine treatment were also observed using 131I-MIBG. In case of KCl exposure, Ca\(^{2+}\)-free buffer with the calcium chelator, ethylenediaminetetracetic acid (EDTA), could suppress the tracer washout from PC12 cells. This finding is consistent with the tracer release being mediated by Ca\(^{2+}\) influx resulting from membrane depolarization.
Conclusions: Analogous to \(^{131}\)I-MIBG, the current in vitro tracer uptake study confirmed that \(^{131}\)F-LMI1195 is also stored in vesicles in PC12 cells and released along with vesicle turnover. Understanding the basic kinetics of \(^{18}\)FLMI1195 at a subcellular level is important for the design of clinical imaging protocols and imaging interpretation.