Exercício físico e microRNAs: novas fronteiras na insuficiência cardíaca

Resumos

Although the impact of exercise on survival of patients with heart failure has been recently questioned, exercise training improves quality of life, functional capacity, inflammation, endothelial and autonomic function. In recent years, interest has increased regarding a group of small non-protein coding RNAs called microRNAs. Studies have shown that the expression of these molecules changes in several pathological conditions, such as myocardial infarction, myocardial ischemia and heart failure, and when clinical improvement occurs, they seem to normalize. With the potential for practical applicability, markers that may be useful in diagnostic and prognostic assessment of heart failure have been identified, such as miR-423-5p. In addition, results of experimental studies have indicated that there are potential therapeutic effects of microRNAs. MicroRNAs are involved in the regulation of gene expression during fetal development and in adult individuals, increasing or decreasing in the heart in response to physiological stress, injury or hemodynamic overload. Thus, the study of the behavior of these molecules in physical exercise has brought important information about the effects of this therapeutic modality and represents a new era in the understanding of heart failure. This review aims to integrate the evidence on microRNAs in heart failure with greater relevance in the study of physical exercise.

Exercise; microRNAs; heart rate

ARTIGO DE REVISÃO

Exercício físico e microRNAs: novas fronteiras na insuficiência cardíaca

Miguel Morita Fernandes-Silva^{I, II}; Vagner Oliveira Carvalho^I; Guilherme Veiga Guimarães^I; Fernando Bacal^I; Edimar Alcides Bocchi^I

^IInstituto do Coração do Hospital das Clínicas de São Paulo-INCOR, São Paulo, SP

^IIHospital Cardiológico Costantini, Curitiba, PR, Brasil

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Embora recentemente tenha sido questionado o impacto do exercício na sobrevida de pacientes com insuficiência cardíaca, o treinamento físico melhora a qualidade de vida, a capacidade funcional, a inflamação, a função autonômica e a função endotelial. Nos últimos anos, vem crescendo o interesse em um grupo de pequenos RNAs não codificadores de proteína chamados microRNAs.

Estudos têm demonstrado que a expressão dessas moléculas se modifica em diversas condições patológicas, como a hipertrofia miocárdica, a isquemia miocárdica e a insuficiência cardíaca, e, quando ocorre melhora clínica, elas parecem se normalizar. Com o potencial de aplicabilidade prática, já foram identificados marcadores que poderão ser úteis na avaliação diagnóstica e prognóstica da insuficiência cardíaca, como o miR-423-5p. Além disso, resultados de estudos experimentais indicam haver possíveis efeitos terapêuticos dos microRNAs.

Implicados na regulação da expressão genética durante o desenvolvimento fetal e no indivíduo adulto, os microRNAs aumentam ou diminuem no coração em resposta a estresse fisiológico, injúria ou sobrecarga hemodinâmica. Assim, o estudo do comportamento dessas moléculas no exercício físico vem trazendo informações importantes quanto aos efeitos dessa modalidade terapêutica e representa uma nova era no entendimento da insuficiência cardíaca.

Esta revisão tem por objetivo integrar as evidências sobre microRNAs na insuficiência cardíaca com maior relevância no estudo do exercício físico.

Palavras-chave: Exercício, microRNAs, insuficiência cardíaca / fisiopatologia.

Introdução

Diversos avanços no entendimento da fisiopatologia da Insuficiência Cardíaca (IC) permitiram desenvolver novas modalidades terapêuticas, ou até mesmo otimizá-las com consequente aumento na sobrevida. Apesar disso, a IC ainda é uma condição com elevada mortalidade e morbidade, sendo a principal causa de internação por doença cardiovascular no Brasil¹.

Apesar de evidências recentes questionando o impacto do exercício na sobrevida², o treinamento físico melhora a qualidade de vida³, a capacidade funcional⁴, a inflamação⁵, a função autonômica⁴ e a função endotelial⁴. Os mecanismos envolvidos nesse fenômeno ainda não estão totalmente esclarecidos. Nos últimos anos, vem crescendo o interesse em uma área de pesquisa que envolve aspectos relacionados à resposta do organismo ao exercício em âmbito genético, em que os microRNAs parecem exercer um papel fundamental.

Está cada vez mais evidente que os microRNAs têm um papel crítico em diversos processos biológicos, e as pesquisas em neoplasias e doenças cardiovasculares vêm sendo o principal foco na medicina translacional. Estudos recentes avaliaram a expressão de diversos microRNAs em hipertrofia miocárdica, infarto do miocárdio e insuficiência cardíaca, e isso permitirá melhorar o entendimento da fisiopatologia dessas condições clínicas, além de ter seu uso promissor no diagnóstico e prognóstico das principais doenças cardiovasculares^6,7. Ainda, possibilidades de mimetizar microRNAs com sua expressão reduzida, ou de antagonizar aqueles cuja expressão aumentada teria uma relação causal com determinada patologia, representam um potencial terapêutico e um novo paradigma no manejo das doenças cardíacas.

Implicados na regulação da expressão genética durante o desenvolvimento fetal e no indivíduo adulto^8,9, muitos desses microRNAs aumentam ou diminuem no coração em resposta ao estresse fisiológico, injúria ou sobrecarga hemodinâmica¹⁰. O estudo do comportamento dessas moléculas no exercício físico representa, portanto, um grande potencial de novas descobertas dessa modalidade terapêutica na IC.

Esta revisão tem por objetivo integrar as evidências sobre microRNAs na insuficiência cardíaca com maior relevância no estudo do exercício físico.

MicroRNAs

Em resposta a estímulos externos, como o exercício físico, a expressão dos genes pode ser modulada mediante diferentes mecanismos, entre eles o silenciamento gênico mediante pequenos RNAs, incluindo os chamados microRNAs (miRNAs)¹¹.

Os miRNAs, descritos inicialmente em 1993 ao ser estudado o desenvolvimento de nematódeos¹², são caracterizados como um grupo de pequenos RNAs, não codificadores de proteínas, com aproximadamente 19-25 nucleotídeos de extensão. Diferindo da ampla gama de RNAs codificados pelo genoma humano, essa variedade de RNA tem se destacado por sua singular habilidade de modular uma enorme e complexa rede regulatória de expressão dos genes¹³.

Atualmente sabe-se que, em geral, os miRNAs são sintetizados a partir de genes específicos ou de determinadas regiões gênicas que não estão associadas à produção de proteínas (introns)¹¹. O processo de maturação dos miRNAs envolve uma complexa via metabólica que se inicia no núcleo e se estende até o citoplasma celular (fig. 1). O primeiro passo para a maturação do miRNA é a transcrição de uma longa fita de miRNA primário (pri-miRNA) a partir de um determinado gene¹⁴. O pri-miRNA é clivado por um complexo enzimático chamado Drosha, liberando regiões precursoras, chamadas pre-miRNAs, que irão formar os miRNAs distintos¹⁵. No citoplasma, após serem exportados do núcleo pela exportina-5¹⁶, o pre-miRNA é clivado pela enzima Dicer, formando um RNA de dupla fita com aproximadamente 22 nucleotídeos¹⁷. As duas fitas são então separadas, porém, apenas uma delas irá potencialmente atuar como um miRNA funcional, enquanto a outra geralmente é degradada¹⁸.

Em sua forma madura, os miRNAs, com o auxílio de um complexo enzimático denominado Complexo de Indução do Silenciamento do RNA (RISC), se ligam ao RNA mensageiro (RNAm)-alvo. Essa ligação impossibilita que os ribossomos consigam acessar a informação genética contida nos RNAm, acarretando na diminuição da síntese proteica do gene-alvo^19,20. De modo geral, a função dos miRNAs é servir como um componente de reconhecimento para o complexo enzimático de silenciamento RISC, uma vez que eles se ligam ao RNAm, identificando-o como um alvo. A complexidade da regulação da expressão proteica pelo miRNA é ilustrada pelo fato de que um único miRNA pode regular centenas de genes-alvo distintos, e por outro lado, cooperam no controle de um único gene-alvo^12,13.

Mais de 700 miRNAs humanos já foram identificados e parece haver 150 a 200 expressos no coração¹⁰. Esse número tende a crescer ainda mais, devido ao recente desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento e métodos de predição computacional^19,20.Embora as funções biológicas dos miRNAs não estejam totalmente compreendidas, acredita-se que 30% a 60% dos genes codificadores de proteína sejam regulados pelos miRNAs¹¹.

Estudos mostraram que apesar de os miRNAs serem expressos em diversos tipos celulares, miRNAs específicos são sintetizados exclusivamente em determinados tecidos ou grupos de células^19,20.

MicroRNAs e insuficiência cardíaca

Nos últimos anos, tem se demonstrado que diversos miRNAs se expressam de maneira específica em algumas condições cardiovasculares. Especialmente, observa-se uma expressão diferenciada na hipertrofia, na isquemia miocárdica e na disfunção endotelial.

A IC sistólica é caracterizada por remodelamento e dilatação ventricular parecendo haver ativação de um programa genético fetal que desencadeia alterações patológicas no miocárdio associadas com disfunção ventricular progressiva²¹. No coração de pacientes com IC em estágio avançado, foi encontrado um padrão de expressão do miRNA muito similar ao encontrado nos corações fetais²¹. Além disso, em um estudo²² avaliando indivíduos com miocardiopatia dilatada, isquêmica e valvar (estenose aórtica), o perfil de expressão foi diferente conforme a etiologia da IC, e a assinatura do miRNA foi capaz de predizer o diagnóstico com uma acurácia de 70%.

Quatro famílias de miRNAs são altamente expressos no coração: miR-1, miR-133, miR-208 e miR-499. A família miR-1 representa 40% de todo o miRNA expresso no coração, enquanto o miR-208 é o único conhecido como cardiacoespecífico. A tabela 1 contém alguns miRNAs e seus possíveis efeitos biológicos no coração adulto.

O miR-1 está diminuído na hipertrofia miocárdica, e estudos in vitro²³ e in vivo²⁴ indicam haver uma relação causal, em que a redução desse miRNA é uma condição necessária para o aumento da massa celular²⁵. Experimento em ratos²⁶ demonstrou que uma das alterações mais precoces observadas após uma sobrecarga pressórica ao coração é a redução do miR-1, antes mesmo do aumento na massa cardíaca. O miR-1 está reduzido no ventrículo hipertrófico de indivíduos com acromegalia²⁶ e estenose aórtica²² com fração de ejeção preservada.

Por outro lado, a expressão do miR-1 tem achados divergentes na IC. Enquanto alguns autores^22,27,28 observaram redução do miR-1 na cardiomiopatia dilatada isquêmica e não isquêmica, outros^21,29 observaram aumento. Han e cols.²⁵ sugerem a possibilidade de que o miR-1 esteja reduzido na hipertrofia, mas volta ao normal ou acima do normal quando evolui para IC.

A família do miR-208 é restrita ao coração e é composta pelos miRs-208a e -208b, os quais são codificados nos introns dos genes da cadeia pesada de miosina (MHC) α e β respecitivamente^30,31. Interações desses miRNAs com os genes da MHC estão implicadas no desenvolvimento de hipertrofia em adultos.

Outros miRNAs também apresentam expressão diferenciada na hipertrofia e na isquemia miocárdica. Alguns exemplos estão descritos na tabela 2.

Modificações na expressão do miRNA em resposta a alterações cardíacas funcionais também já foi demonstrada. Em um estudo interessante²⁹, foram avaliados os perfis de RNAm e do miRNA em 10 corações tratados com dispositivo de assistência ventricular esquerda (DAVE), 17 corações de indivíduos com IC não tratados com DAVE e 11 controles (sem IC). Nos corações dos indivíduos com IC sem DAVE, foi encontrado aumento significativo na expressão de 28 miRNAs, enquanto naqueles tratados com DAVE, 20 desses miRNAs estavam completamente normalizados, e os outros 8 apresentavam uma tendência a normalização.

Estudos experimentais³² têm demonstrado que é possível reverter um fenótipo, através da inibição de determinado miRNA que tem sua expressão aumentada nessa condição. Isso pode ser realizado pela administração de um oligonucleotídeo anti-miRNA, que age como inibidor competitivo do miRNA em questão e é chamado antagomiR. Recentemente, Montgomery e cols.³³ demonstraram que a administração de um antagomiR anti-miR-208a foi capaz de prevenir a hipertrofia miocárdica, o remodelamento cardíaco e a letalidade por IC em ratos Dahl (sensíveis ao sal) submetidos a uma dieta hipersódica. O estudo sugere fortemente que os efeitos desse antagomiR foram decorrentes da redução dos níveis de miR-208a. Esse resultado estabelece não somente uma correlação causal desse miRNA no mecanismo da hipertrofia, mas também traz uma aplicação terapêutica bastante promissora na reversão do remodelamento. No entanto, em ratos adultos, o perfil miR-208a/α-MHC é predominante, e quando ocorre uma sobrecarga pressórica, há um desvio da produção de α para β-MHC^30,31. Já em humanos, o papel desse mecanismo na hipertrofia ainda precisa ser esclarecido, já que essa espécie não é capaz de inverter as isoformas de MHC, além de o β-MHC já ser a forma predominante, juntamente ao miR-208b³¹. Além disso, modelos experimentais devem ser observados com cautela na extrapolação dos seus dados, já que eles são artificiais e podem não mimetizar com precisão as condições clínicas observadas em humanos¹⁰.

MicroRNA como biomarcador na insuficiência cardíaca

Para que haja uso disseminado do miRNA como biomarcador na insuficiência cardíaca, a sua determinação deve ser simples e confiável, dispensando, preferivelmente, a necessidade de realização de um procedimento invasivo como a biópsia. Embora a pesquisa dos miRNAs no tecido e células venha ocorrendo a algum tempo, somente recentemente é que vem se descobrindo a existência de uma série destes miRNAs no sangue circulante. Mitchell e cols.³⁴ demonstraram em pacientes com câncer de próstata que miRNAs circulantes específicos do tecido poderiam ser detectados no plasma. Os mecanismos pelos quais eles são liberados são incertos, mas postula-se que seja por meio da secreção dentro de microvesículas chamadas exossomos³⁵. Não se sabe se isso ocorre com outros miRNAs, mas características como especificidade e estabilidade no plasma tornam-no bastante promissor como marcador de lesão tecidual³⁶.

Os miRs-208a, -208b e -499 são específicos do cardiomiócito e foram avaliados no diagnóstico de condições que provocam lesão miocárdica. Observou-se um aumento acima de 1.000 vezes no IAM^6,37-39 dos miRs-208b e -499. Nessa condição, eles refletem injúria tecidual e morte celular. Além disso, o miR-208a apresentou acurácia diagnóstica semelhante à troponina, com a vantagem de ser detectado mais precocemente no plasma⁶.

No intuito de determinar qual(is) miRNA(s) poderiam ser biomarcardores na Insuficiência Cardíaca (IC), Tijsen e cols.⁴⁰ compararam o perfil de expressão dos miRNAs no plasma de 12 indivíduos saudáveis com 12 pacientes admitidos por IC aguda. Dentre os 108 miRNAs que apresentaram diferença significativa entre os grupos, foram selecionados 16 e validados em um grupo maior, incluindo 30 pacientes com IC, 20 que tinham dispneia por outras causas que não a IC, e um terceiro grupo de 39 indivíduos saudáveis. Nessa coorte de validação, o aumento do miR-423-5p foi um forte preditor do diagnóstico de IC em um modelo de regressão logística, incluindo idade e sexo. Os mecanismos pelos quais existe aumento nesse marcador em pacientes com IC ainda é desconhecido. Se isto é decorrente de lesão celular e consequente liberação do mesmo no plasma, ou se está relacionado a uma via secretória específica de determinada célula ainda precisa ser esclarecido⁴¹. Em outro estudo⁷, concentrações plasmáticas do miR-126 apresentaram correlação inversa com os níveis de peptídeo natriurético cerebral (BNP). No entanto, a amostra de pacientes foi heterogênea e os critérios de definição de IC não foram muito bem estabelecidos. Mais estudos ainda são necessários para definir o papel desses miRNAs como biomarcadores na IC.

MicroRNA e exercício

Exercício físico, gestação e o próprio crescimento do indivíduo são estímulos para o crescimento fisiológico do coração. Em meados do século XIX, descrições referentes ao chamado "coração de atleta" tinham conotação deletéria⁸. Mais recentemente, os diversos benefícios do treinamento físico na sobrevida e os efeitos maléficos da inatividade tornaram essa modalidade terapêutica obrigatória no tratamento de pacientes com doenças cardíacas, incluindo aqueles com disfunção ventricular sistólica, os quais já apresentam aumento patológico dos volumes e massas ventriculares. Seus benefícios na capacidade funcional podem ser explicados pelos efeitos na função endotelial, resistência vascular periférica e modificações na estrutura da musculatura esquelética, embora não tenha sido demonstrado melhora significativa na fração de ejeção do ventrículo esquerdo.

O estudo dos microRNAs pode gerar hipóteses quanto aos mecanismos pelos quais o exercício físico interfere na fisiopatologia da IC. Interessante notar que as vias de sinalização que levam a hipertrofia decorrente do estímulo fisiológico, como exercício, são diversas daquelas que provocam a hipertrofia patológica e, consequentemente, podem desencadear expressão diferente nos miRNAs⁸. O pré-condicionamento isquêmico e sua relação com o miRNA já começou a ser avaliada em estudos experimentais⁴².

Ao analisar as respostas individuais do treinamento físico, dúvidas são levantadas quanto às razões da variabilidade de seus resultados. Há indícios de que a adaptabilidade fisiológica ao exercício tenha um paralelo com a expressão genética⁴³. Entretanto, a complexidade da interação genética limita a identificação de genes individuais que possam explicar essa variabilidade⁴⁴. Além disso, a sua expressão se modifica de acordo com o estímulo que o organismo recebe e é nesse aspecto que o estudo dos miRNAs tem um papel promissor.

O músculo esquelético também é um órgão que apresenta uma elevada plasticidade, capaz de alterar o fenótipo em resposta a uma sobrecarga mecânica⁴⁵. Estudos experimentais permitiram identificar mudanças no perfil muscular esquelético de miRNAs específicas do exercício aeróbico e do exercício resistido⁴⁶ (tab. 3).

Há vários miRNAs presentes no músculo esquelético, e os miRs-1, -133a, -133b e -206 compreendem 25% deles, sendo muitas vezes referidos como "miomirs"⁴⁷. Em indivíduos saudáveis,esses quatro miomirs diminuem significativamente após 12 semanas de treinamento aeróbico⁴⁸, indicando que eles se ajustam rapidamente ao nível de atividade física. Interessante notar que esses níveis voltam aos valores basais após 14 dias da sua interrupção. Quando avaliada a resposta a uma única sessão de exercício, foi encontrado aumento na expressão dos miR-1 e -133a somente antes do período de treinamento.

Com relação a exercício resistido, o ganho em massa muscular também é altamente variável entre os indivíduos. Essa variabilidade é acompanhada por diferenças no comportamento dos miRNAs. Um estudo⁴⁷ que analisou biópsias do músculo vasto lateral de 56 homens submetidos a treinamento resistido por 12 semanas encontrou que a expressão do miR-378 reduziu e a do miR-478 aumentou, ambos significativamente, somente naqueles que responderam pouco ao treinamento. Além disso, houve uma forte correlação entre a variação na expressão do miR-378 com o ganho em massa magra. Já os miomirs miRs-1 e -133 não se modificaram com o exercício resistido.

Com relação aos níveis de miRNAs no sangue circulante, Baggish e cols.⁴⁹ estudaram o comportamento de miRNAs que foram previamente implicados na angiogênese (miR-20a, miR-210, miR-221, miR-222, miR-328), inflamação (miR-21, miR-146a), contratilidade muscular cardíaca e esquelética (miR- 21, miR-133a) e adaptação muscular á hipóxia e isquemia (miR-21, miR-146a, e miR-210). Os resultados deste e outros estudos envolvendo o comportamento dos miRNAs no exercício em humanos estão resumidos na tabela 4.

O estudo dos miRNAs pode contribuir também no entendimento dos efeitos do exercício na resposta imune, cujos mecanismos ainda não estão esclarecidos. Por exemplo, a partir da análise de citocinas, observou-se que ambas as vias pro-inflamatórias e anti-inflamatórias são ativadas após exercício estenuante⁵⁰. Estudando o comportamento de neutrófilos no sangue periférico⁵¹ após uma sessão de exercício, foi possível observar alteração no perfil de expressão dos miRNAs, sugerindo que esses contribuem para alterações na expressão genética de células imunocompetentes⁵².

Até o momento da publicação desta revisão, não temos conhecimento de estudos que tenham avaliado o comportamento dos miRNAs em resposta ao treinamento físico especificamente em pacientes com IC.

Perspectivas

Muito já foi descoberto quanto aos efeitos do treinamento físico na IC. Além da melhora na capacidade funcional e na sobrevida, evidências tem demonstrado outros resultados positivos dessa terapia, como aumento nas células progenitoras endoteliais circulantes⁵³, efeitos anti-inflamatórios e no endotélio, com modificações nos níveis de interleucinas-1β⁵⁴, -6^54,55, -10⁵⁶, fator de necrose tumoral α e seus receptores 1 e 2 e da proteína C reativa⁵⁶, óxido nítrico sintase induzível (iNOS)⁵⁴, molécula de adesão intracelular solúvel (sICAM)⁵⁵, adiponectina^57,58, peptídeo natriurético cerebral (BNP)⁵⁹ e outros (fig. 2). Surge, portanto, uma promissora ferramenta de avaliação prognóstica e diagnóstica de tratamento na IC, que permitirá ampliar os conhecimentos dos efeitos do exercício físico nesses pacientes, indo mais a fundo nos mecanismos moleculares, com a vantagem de refletir de maneira mais direta as vias de sinalização genética, conectando o estímulo ambiental aos aspectos hereditários do indivíduo. Os microRNAs representam uma nova era no conhecimento da insuficiência cardíaca e dos possíveis efeitos que o exercício exerce sobre ela.

Potencial Conflito de Interesses

Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.

Fontes de Financiamento

O presente estudo foi financiado pela Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).

Vinculação Acadêmica

Este artigo é parte do projeto de doutorado de Miguel Morita Fernandes da Silva pela Universidade de São Paulo.

Artigo recebido em 29/09/11

Revisado recebido em 25/10/11

Aceito em 03/11/11

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  31 Jul 2012
• Data do Fascículo
  Maio 2012

Histórico

• Recebido
  29 Set 2011
• Aceito
  03 Nov 2011
• Revisado
  25 Out 2011