Role of the complement components C5 and C3a in a mouse model of myocardial ischemia and reperfusion injury

Ger Med Sci. 2010 Sep 8;8:Doc20. doi: 10.3205/000109.

Abstract

Objective: Ischemic heart disease is the leading cause of death worldwide. The complement system plays a major role in inflammation and tissue injury following myocardial ischemia and reperfusion (MI/R) injury. Systemic C5 inhibition in clinical studies has resulted in mixed results and the role of earlier complement components (e.g., C3a), upstream from C5 cleavage, has not been elucidated for MI/R injury. Therefore, we evaluated the role of C5 or C3a in a mouse model of MI/R injury.

Methods: We performed experimental MI/R with 30 min of ischemia and 4 hr of reperfusion in 8-12 wk old C57BL/6 (WT) mice. Systemic C5 or C3a inhibition was performed with an anti-C5 monoclonal antibody (BB5.1) 30 min prior to reperfusion or with a C3a receptor antagonist (C3aRA). Since the C3aRA induces neutropenia that resolves within 120 min, we administered C3aRA at two different time points in two separate groups: 30 min prior to reperfusion within the neutropenic time frame and 120 min prior to reperfusion, when the neutropenia had resolved, but C3aRA remained active. Following MI/R, cardiac function was assessed via echocardiography, serum troponin I concentrations were measured as an index of myocardial cell death and myocardial inflammation was determined via myocardial polymorphonuclear leukocyte (PMN) infiltration.

Results: In wild type mice, MI/R significantly decrease myocardial ejection fraction and increased serum troponin I levels and myocardial PMN infiltration compared to sham-operated animals. Systemic C5 inhibition, 30 min prior to reperfusion, significantly protected mice from MI/R injury, confirming an important role for C5 in murine MI/R injury.Treatment with the C3aRA, 30 min prior to reperfusion (i.e., within the neutropenic time frame), protected mice significantly from MI/R related injury. In contrast, administration of the C3aRA 120 min prior to reperfusion, when the neutropenia had resolved, but C3aRA remained active, did not prevent MI/R injury.

Conclusions: These results confirm an important role for C5 cleavage in murine MI/R injury. At the same time, they suggest a minimal role for C3a, since neutropenia rather than C3a receptor antagonism appears to be responsible for C3aRA related amelioration in MI/R injury. While C5 inhibition in the clinical setting of MI/R does not appear to be therapeutic, our results raise the possibility that inhibition of either C5a or C5b-9 may be more advantageous than inhibition of C3a or complete inhibition of C5 in humans.

Einleitung: Die koronare Herzerkrankung ist weltweit die führende Todesursache. Das Komplementsystem spielt eine wichtige Rolle bei der Entzündungsreaktion und dem Gewebeschaden nach myokardialer Ischämie und Reperfusion (MI/R). Die Inhibition des Komplementfaktors C5 hatte in klinischen Studien unterschiedliche Ergebnisse gezeigt, und die Rolle von Komplementfaktoren, die oberhalb der C5-Spaltung in der Komplementkaskade liegen (z.B. C3a), wurde für MI/R nicht erforscht. Daher untersuchten wir die Rolle von C5 und C3a in einem MI/R-Mausmodell.

Methoden: Wir führten in 12 Wochen alten C57BL/6 (WT)-Mäusen experimentell MI/R mit 30 min Ischämie und 4 h Reperfusion durch. Systemische Inhibition der Komplementfaktoren C5 oder C3a wurde mittels eines anti-C5 monoklonalen Antikörpers (BB5.1) 30 min vor der Reperfusion oder mit einem C3a-Rezeptorantagonist (C3aRA) durchgeführt. Da der C3aRA eine Neutropenie induziert, die innerhalb von 120 min abgeklungen ist, verabreichten wir den C3aRA in zwei unterschiedlichen Versuchsgruppen zu zwei Zeitpunkten: 30 min vor der Reperfusion, innerhalb der Neutropenie, und 120 min vor der Reperfusion, wenn die Neutropenie abgeklungen war, aber der C3aRA noch aktiv war. Nach MI/R untersuchten wir die kardiale Funktion mittels Echokardiographie, bestimmten die Serumkonzentration von Troponin I als Zeichen myokardialen Zelluntergangs und die myokardiale Infiltration mit Polymorphonukleären Zellen (PMN) als Maß myokardialer Inflammation.

Ergebnisse: WT-Mäuse hatten nach MI/R im Vergleich zu sham-operierten Mäusen signifikant reduzierte Ejektionsfraktionen, während Troponin I und die myokardiale PMN-Infiltration signifikant erhöht waren. Systemische C5-Inhibierung 30 min vor der Reperfusion schützte Mäuse signifikant vor MI/R-Schädigung und bestätigt damit eine wichtige Rolle von C5 in MI/R im Mausmodell. Eine Behandlung mit dem C3aRA 30 min vor der Reperfusion, während der neutropenischen Phase, schützte die Mäuse signifikant vor MI/R-Schädigung. Eine Verabreichung des C3aRA 120 min vor der Reperfusion, wenn die Neutropenie abgeklungen war, aber der C3aRA noch aktiv war, verhinderte allerdings keine MI/R-Schädigung.

Fazit: Diese Ergebnisse bestätigen eine wichtige Rolle für C5 bei MI/R im Mausmodell. Die durch den C3aRA verursachte Neutropenie, und nicht der C3a-Rezeptorantagonismus, scheint für die Abschwächung des MI/R-Schadens verantwortlich zu sein. Damit scheint C3a bei MI/R im Mausmodell nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Da die Inhibition des Komplementfaktors C5 in klinischen Studien nicht erfolgreich war, sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass die Inhibition von C5a oder C5b-9 in klinischen Studien erfolgversprechender sein könnte als die Inhibition von C3a oder eine komplette Inhibition von C5.

Keywords: C3a; C5; I/R; cardiac; complement; heart; ischemia; ischemic heart disease; myocardial; reperfusion.

Publication types

  • Research Support, N.I.H., Extramural
  • Research Support, Non-U.S. Gov't

MeSH terms

  • Animals
  • Complement C3a / immunology*
  • Complement C5 / immunology*
  • Disease Models, Animal*
  • Humans
  • Mice
  • Mice, Inbred C57BL
  • Myocardial Reperfusion Injury / immunology*

Substances

  • Complement C5
  • Complement C3a