Impact of Zinc Deficiency During Prenatal and/or Postnatal Life on Cardiovascular and Metabolic Diseases: Experimental and Clinical Evidence.

This review summarizes the latest findings, from animal models and clinical studies, regarding the cardiovascular and metabolic consequences in adult life of zinc deficiency (ZD) during prenatal and early postnatal life. The effect of zinc supplementation (ZS) and new insights about sex differences in the phenotype and severity of cardiovascular and metabolic alterations are also discussed. Zinc has antioxidant, anti-inflammatory, and antiapoptotic properties and regulates the activity of enzymes involved in regulation of the metabolic, cardiovascular, and renal systems. Maternal ZD is associated with intrauterine growth restriction and low birth weight (LBW). Breast-fed preterm infants are at risk of ZD due to lower zinc uptake during fetal life and reduced gut absorption capacity. ZS is most likely to increase growth in preterm infants and survival in LBW infants in countries where ZD is prevalent. Studies performed in rats revealed that moderate ZD during prenatal and/or early postnatal growth is a risk factor for the development of hypertension, cardiovascular and renal alterations, obesity, and diabetes in adult life. An adequate zinc diet during postweaning life does not always prevent the cardiovascular and metabolic alterations induced by zinc restriction during fetal and lactation periods. Male rats are more susceptible to this injury than females, and some of the mechanisms involved include: 1) alterations in organogenesis, 2) activation of oxidative, apoptotic, and inflammatory processes, 3) dysfunction of nitric oxide and renin-angiotensin-aldosterone systems, 4) changes in glucose and lipid metabolism, and 5) adipose tissue dysfunction. Safeguarding body zinc requirements during pregnancy, lactation, and growth periods could become a new target in the prevention and treatment of cardiovascular and metabolic disorders. Further research is needed to elucidate the efficacy of ZS during early stages of growth to prevent the development of these diseases later in life.

Sexual Dimorphic Pattern of Renal Transporters and Electrolyte Homeostasis.

Compared with males, females have lower BP before age 60, blunted hypertensive response to angiotensin II, and a leftward shift in pressure natriuresis. This study tested the concept that this female advantage associates with a distinct sexual dimorphic pattern of transporters along the nephron. We applied quantitative immunoblotting to generate profiles of transporters, channels, claudins, and selected regulators in both sexes and assessed the physiologic consequences of the differences. In rats, females excreted a saline load more rapidly than males did. Compared with the proximal tubule of males, the proximal tubule of females had greater phosphorylation of Na+/H+ exchanger isoform 3 (NHE3), distribution of NHE3 at the base of the microvilli, and less abundant expression of Na+/Pi cotransporter 2, claudin-2, and aquaporin 1. These changes associated with less bicarbonate reabsorption and higher lithium clearance in females. The distal nephrons of females had a higher abundance of total and phosphorylated Na+/Cl- cotransporter (NCC), claudin-7, and cleaved forms of epithelial Na+ channel (ENaC) α and γ subunits, which associated with a lower baseline plasma K+ concentration. A K+-rich meal increased the urinary K+ concentration and decreased the level of renal phosphorylated NCC in females. Notably, we observed similar abundance profiles in female versus male C57BL/6 mice. These results define sexual dimorphic phenotypes along the nephron and suggest that lower proximal reabsorption in female rats expedites excretion of a saline load and enhances NCC and ENaC abundance and activation, which may facilitate K+ secretion and set plasma K+ at a lower level.

Programación de hipertensión arterial por restricción moderada de cinc durante la vida fetal y la lactancia: Alteraciones morfológicas y funcionales tempranas del sistema cardiovascular en ratas de ambos sexos / Fetal Programming of Hypertension Induced by Moderate Zinc Restriction during Prenatal Life and Lactation: Early Morphological and Functional Alterations in Cardiovascular System in Both Sexes / Fetal Programming of Hypertension induced by Moderate Zinc Restriction during Prenatal Life and Lactation: early Morphological and Functional alterations in cardiovascular system in both sexes

Introducción Numerosos estudios sugieren que trastornos metabólicos y desequilibrios nutricionales durante la vida intrauterina pueden inducir adaptaciones que programen enfermedades cardiovasculares e hipertensión arterial. En trabajos previos mostramos que la restricción moderada de cinc durante la vida fetal, la lactancia y/o el crecimiento conduce al desarrollo de hipertensión arterial y disfunción renal en la adultez. Objetivos Evaluar la presencia de alteraciones cardiovasculares tempranas en ratas sometidas a una deficiencia moderada de cinc durante la vida fetal y la lactancia y si existen diferencias respecto del sexo. Material y métodos Ratas Wistar hembras recibieron durante la preñez hasta el destete una dieta control o baja en cinc. En el momento del nacimiento se conformaron cuatro grupos experimentales: machos y hembras nacidos de madres bajas y machos y hembras nacidos de madres controles. A los 6 y a los 21 días de vida se sacrificaron y se determinaron el peso corporal, el peso del corazón, parámetros morfométricos cardiovasculares, la actividad de la óxido nítrico sintasa en el sistema cardiovascular y el estado oxidativo cardíaco. Resultados El aporte insuficiente de cinc durante la vida fetal y la lactancia indujo un proceso de re­modelación del cardiomiocito, diferente en machos que en hembras, un aumento del estrés oxidativo cardíaco, una remodelación hipotrófica de la aorta torácica y una disminución de la actividad de la óxido nítrico sintasa en el sistema cardiovascular. Conclusiones Este trabajo demuestra que la deficiencia de cinc induce alteraciones cardiovasculares, dis­tintas en machos que en hembras, tempranas en el desarrollo, que podrían contribuir a la programación de enfermedades en la vida adulta.

Background Several studies suggest that metabolic disorders and nutrition imbalance during prenatal life may induce adaptations that program cardiovascular diseases and hypertension. We have previously shown that moderate zinc restriction during prenatal life, lactation and/or growth leads to the development of hypertension and renal dysfunction in adulthood. Objectives To evaluate the presence of early cardiovascular alterations in rats exposed to a moderate zinc deficient diet during pre­natal life and lactation, and to determine whether there are differences between males and females. Material and Methods Female Wistar rats received low zinc diet or control diet from the beginning of pregnancy up to weaning. Four experimental groups were established at birth: males and females born from low-diet mothers, and males and females born from control-diet mothers. Male and female offspring were sacrificed at 6 and 21 days of life to evaluate body weight, heart weight, cardiovascular morphometric parameters and nitric oxide synthase activity in the cardiovascular system and cardiac oxidative status. Results The insufficient zinc intake during prenatal life and lacta-tion induced a remodeling process of the cardiomyocyte which was different in males and females, increased cardiac oxidative stress, produced a hypotrophic remodeling of the thoracic aorta and reduced nitric oxide synthase activity in the cardiovascular system. Conclusions This study shows that zinc deficiency induces cardiovascular abnormalities in early stages of development, which are different in males and females that may contribute to programming of diseases in adulthood.

New aspects of the interactions between the cardiovascular nitric oxide system and natriuretic peptides.

Arterial blood pressure is regulated by a variety of endocrine, autocrine and neuronal systems. Natriuretic peptides and nitric oxide are important factors that exert synergistic vascular and cardiac actions and their activities are closely linked. The existence of a novel signal transduction mechanism involved in activation of nitric oxide synthase via natriuretic peptides is currently being explored. Since several cardiovascular disorders are associated with dysfunction of natriuretic peptides activity, selective modulation of the natriuretic peptides pathway represents an important therapeutic target. This review article highlights the current findings on cross-talk between natriuretic peptides and the nitric oxide system.

Programación temprana de alteraciones en el sistema del óxido nítrico renal y vascular inducidas por la deficiencia de cinc / Early Programming of Alterations in Renal and Vascular Nitric Oxide System Induced by Zinc-Related Deficiencies

Introducción Numerosos estudios mostraron que la deficiencia nutricional durante la vida fetal y posnatal predisponen al desarrollo de patologías en la vida adulta, como la hipertensión arterial y las enfermedades renales. La distribución ubicua del cinc y sus propiedades químicas determinan su esencialidad en los sistemas biológicos. Objetivos Evaluar si las alteraciones renales y cardiovasculares en la vida adulta inducidas por la restricción moderada de cinc durante la vida fetal, la lactancia y/o el crecimiento se asocian con cambios en el sistema del óxido nítrico. Material y métodos Ratas Wistar hembra recibieron durante la preñez hasta el destete de las crías una dieta control o una baja en cinc. Luego del destete, las crías macho se asignaron al azar a dos grupos que recibieron una dieta control o una baja en cinc durante 60 días. Resultados Los resultados mostraron que el aporte insuficiente de cinc durante el crecimiento previo y/o posterior al destete indujo un aumento de la presión arterial y una disminución del volumen de filtrado glomerular en la vida adulta, asociados con una disminución del sistema del óxido nítrico renal y vascular. Además, el bajo aporte de este mineral durante la vida fetal indujo un peso menor al nacer, que se correlacionó en forma negativa con la presión arterial en la vida adulta. Conclusiones Este trabajo brinda evidencias importantes que sugieren que el aporte inadecuado de cinc durante el crecimiento prenatal y posnatal constituye un factor de riesgo cardiovascular y renal, dado que induce alteraciones en la regulación de la presión arterial y en la función renal en el individuo adulto.

Background Several studies have reported that nutritional deficiencies during fetal and postnatal life predispose to the development of diseases such as hypertension and renal disorders during adulthood. The ubiquitous distribution of zinc and its chemical properties determine their essentiality in the biological systems. Objectives To assess whether renal and cardiovascular alterations induced by moderate zinc restriction during fetal life, lactation period and/or growth are associated with changes in the nitric oxide system. Material and Methods Female Wistar rats received low zinc diet or control diet from the beginning of pregnancy up to weaning. After weaning, male offspring were randomly fed with low zinc diet or control diet for 60 days. Results Zinc deficiency through pre-weaning and post-weaning growth induced increase in blood pressure and reduced glomerular filtration volume in adult life; these findings were associated with reductions in renal and vascular nitric oxide system. In addition, low zinc intake during intrauterine life induced low birth weight offspring which had a negative correlation with blood pressure in adulthood. Conclusions Zinc deficiency during prenatal and postnatal growth constitutes a risk factor for cardiovascular and kidney diseases as it induces alterations in blood pressure and renal function regulation in adult life.

Respuesta hipotensora al tratamiento agudo con péptido natriurético auricular: su relación con la expresión y la actividad de la óxido nítrico sintetasa cardíaca en ratas espontáneamente hipertensas / Hypotensive Response to Acute Treatment with Atrial Natriuretic Peptide: Its Relationship with Cardiac Nitric Oxide Synthase Expression and Activity in Spontaneously Hypertensive Rats

Introducción El péptido natriurético auricular (ANP) y el óxido nítrico (NO) aumentan la diuresis y la natriuresis y disminuyen el tono vascular. Previamente demostramos que el NO está involucrado en el efecto hipotensor del ANP en ratas normotensas. Objetivo Estudiar el efecto del ANP sobre la presión arterial media (PAM) y el sistema del NO en ratas espontáneamente hipertensas (SHR) y Wistar Kyoto (WKY) y la participación de la isoforma inducible de la NO-sintasa (iNOS). Material y métodos Protocolo 1: los animales fueron infundidos con solución salina (0,05 ml/min) o con ANP (0,2 µg/kg/min) durante 1 hora. Se determinaron: PAM y nitritos y nitratos urinarios (NOx). Se extrajo el corazón y se determinaron la actividad, con L-[U14C]-arginina, y la expresión (Western blot) de iNOS y NOS endotelial (eNOS). Protocolo 2: luego del agregado de ANP (1 µM), cANP(4-23) (agonista NPR-C,1µM) o aminoguanidina (inhibidor de iNOS, 1 µM) se determinó la actividad de la NOS en la aurícula derecha y en el ventrículo izquierdo de SHR y WKY. Resultados La infusión con ANP disminuyó la PAM y aumentó los NOx en ambos grupos. La actividad NOS fue mayor en SHR y se incrementó con la infusión de ANP. Se observaron niveles proteicos mayores para eNOS e iNOS en SHR, que no se modificaron con ANP. La actividad basal de iNOS fue mayor en SHR. En la aurícula, el ANP sólo interactuaría con el NPR-C para activar la NOS y en el ventrículo también participarían los receptores NPR-A/B. El desarrollo y/o el mantenimiento de la hipertensión en este modelo experimental involucraría alteraciones en la interacción entre ambos sistemas, ANP y NO.

Background Atrial natriuretic peptide (ANP) and nitric oxide (NO) increase diuresis and natriuresis and reduce vascular tone. We have previously demonstrated that NO is involved in ANP hypotensive effect in normotensive rats. Objective To assess the effect of ANP on mean blood pressure (MBP) and on NO system in spontaneously hypertensive rats (SHR) and Wistar Kyoto (WKY), and the role of the inducible isoform of nitric oxide synthase (iNOS). Material and Methods Protocol 1: animals were instilled with saline solution (0.05 ml/min) or with ANP (0.2 µg/kg/min) for an hour. MBP and urinary nitrites and nitrates (NOx) were assessed. The heart was extracted and iNOS and endothelial iNOS (eNOS) activity (with L-[U14C]-arginine) and expression (Western blot) were determined. Protocol 2: after adding ANP (1 µM), cANP(4-23) (NPR-C agonist, 1µM) or aminoguanidine (iNOS inhibitor, 1 µM) NOS activity in the right atrium and left ventricle of SHR and WKY was determined. Results Instillation with ANP reduced MBP and increased NOx in both groups. NOS activity was greater in SHR, and increased with the instillation of ANP. In SHR, greater eNOS and iNOS protein levels were observed, which were not modified by ANP. iNOS basal activity was greater in SHR. In the atrium, ANP interacts only with NPR-C in order to activate NOS, and NPR-A/B receptors would also take part in the ventricle. In this experimental model, the development and maintenance of hypertension could involve alterations in the interaction between both systems, ANP and NO.

El estado hipovolémico modula la actividad y la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el sistema cardiovascular / Hypovolemic state modulates nitric oxide synthase activity and expression in the cardiovascular system

Previamente mostramos que el pretratamiento con el inhibidor de la óxido nítrico sintetasa, NG-nitro-L-arginina metil éster (L-NAME), revierte la hipotensión y anula los cambios en la frecuencia cardíaca inducidos por la hemorragia. Objetivo: Evaluar la actividad histoquímica (técnica NADPH-diaforasa) y la expresión (Western blot) de la óxido nítrico sintetasa en la aurícula derecha y en el ventrículo izquierdo de animales sometidos a una hemorragia del 20 por ciento de la volemia. Material y métodos: Se conformaron cuatro grupos de animales (n = 14, por grupo): S ( sham ), H (hemorragia), SL-NAME ( sham + L-NAME) (0,5 mg/kg/h IV = 100 µl/h) y HL-NAME (hemorragia + LNAME). El sacrificio de los animales se realizó por decapitación a los 60 y a los 120 min posteriores al sangrado y se extrajo el corazón para su estudio. Resultados: La pérdida de sangre aumentó la actividad de la NOS en la aurícula y en el ventrículo a los 60 y 120 min (aurícula: 8 por ciento y 21 por ciento respectivamente; ventrículo: 21 por ciento y 45 por ciento, respectivamente) del sangrado. El análisis de Western blot con empleo de un anticuerpo antióxido nítrico sintetasa inducible reveló la presencia de dicha proteína en la aurícula y en el ventrículo a los 120 min del sangrado (654 ± 13 y 465 ± 9 unidades arbitrarias, respectivamente). La expresión de la óxido nítrico sintetasa endotelial aumentó en la aurícula y en el ventrículo a los 60 min (18 por ciento y 147 por ciento respectivamente) en comparación con S, normalizándose a los 120 min de la hemorragia. Conclusiones: El estado hipovolémico inducido por una hemorragia del 20 por ciento de la volemia está asociado con un patrón heterogéneo y dinámico de regulación de la actividad y de la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el tejido cardíaco.

El estado hipovolémico modula la actividad y la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el sistema cardiovascular / Hypovolemic state modulates nitric oxide synthase activity and expression in the cardiovascular system

Previamente mostramos que el pretratamiento con el inhibidor de la óxido nítrico sintetasa, NG-nitro-L-arginina metil éster (L-NAME), revierte la hipotensión y anula los cambios en la frecuencia cardíaca inducidos por la hemorragia. Objetivo: Evaluar la actividad histoquímica (técnica NADPH-diaforasa) y la expresión (Western blot) de la óxido nítrico sintetasa en la aurícula derecha y en el ventrículo izquierdo de animales sometidos a una hemorragia del 20 por ciento de la volemia. Material y métodos: Se conformaron cuatro grupos de animales (n = 14, por grupo): S ( sham ), H (hemorragia), SL-NAME ( sham + L-NAME) (0,5 mg/kg/h IV = 100 Al/h) y HL-NAME (hemorragia + LNAME). El sacrificio de los animales se realizó por decapitación a los 60 y a los 120 min posteriores al sangrado y se extrajo el corazón para su estudio. Resultados: La pérdida de sangre aumentó la actividad de la NOS en la aurícula y en el ventrículo a los 60 y 120 min (aurícula: 8 por ciento y 21 por ciento respectivamente; ventrículo: 21 por ciento y 45 por ciento, respectivamente) del sangrado. El análisis de Western blot con empleo de un anticuerpo antióxido nítrico sintetasa inducible reveló la presencia de dicha proteína en la aurícula y en el ventrículo a los 120 min del sangrado (654 ± 13 y 465 ± 9 unidades arbitrarias, respectivamente). La expresión de la óxido nítrico sintetasa endotelial aumentó en la aurícula y en el ventrículo a los 60 min (18 por ciento y 147 por ciento respectivamente) en comparación con S, normalizándose a los 120 min de la hemorragia. Conclusiones: El estado hipovolémico inducido por una hemorragia del 20 por ciento de la volemia está asociado con un patrón heterogéneo y dinámico de regulación de la actividad y de la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el tejido cardíaco. (AU)

El estado hipovolémico modula la actividad y la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el sistema cardiovascular / Hypovolemic state modulates nitric oxide synthase activity and expression in the cardiovascular system

Previamente mostramos que el pretratamiento con el inhibidor de la óxido nítrico sintetasa, NG-nitro-L-arginina metil éster (L-NAME), revierte la hipotensión y anula los cambios en la frecuencia cardíaca inducidos por la hemorragia. Objetivo: Evaluar la actividad histoquímica (técnica NADPH-diaforasa) y la expresión (Western blot) de la óxido nítrico sintetasa en la aurícula derecha y en el ventrículo izquierdo de animales sometidos a una hemorragia del 20 por ciento de la volemia. Material y métodos: Se conformaron cuatro grupos de animales (n = 14, por grupo): S ( sham ), H (hemorragia), SL-NAME ( sham + L-NAME) (0,5 mg/kg/h IV = 100 Al/h) y HL-NAME (hemorragia + LNAME). El sacrificio de los animales se realizó por decapitación a los 60 y a los 120 min posteriores al sangrado y se extrajo el corazón para su estudio. Resultados: La pérdida de sangre aumentó la actividad de la NOS en la aurícula y en el ventrículo a los 60 y 120 min (aurícula: 8 por ciento y 21 por ciento respectivamente; ventrículo: 21 por ciento y 45 por ciento, respectivamente) del sangrado. El análisis de Western blot con empleo de un anticuerpo antióxido nítrico sintetasa inducible reveló la presencia de dicha proteína en la aurícula y en el ventrículo a los 120 min del sangrado (654 ± 13 y 465 ± 9 unidades arbitrarias, respectivamente). La expresión de la óxido nítrico sintetasa endotelial aumentó en la aurícula y en el ventrículo a los 60 min (18 por ciento y 147 por ciento respectivamente) en comparación con S, normalizándose a los 120 min de la hemorragia. Conclusiones: El estado hipovolémico inducido por una hemorragia del 20 por ciento de la volemia está asociado con un patrón heterogéneo y dinámico de regulación de la actividad y de la expresión de la óxido nítrico sintetasa en el tejido cardíaco. (AU)

Moderate zinc deficiency influences arterial blood pressure and vascular nitric oxide pathway in growing rats.

There is an increasing interest in the involvement of trace elements such as zinc in the pathogenesis of cardiovascular diseases. This study was designed to examine whether moderate zinc deficiency during growth influences blood pressure (BP) and vascular nitric oxide (NO) pathway. Three-week-old weaned male Wistar rats were randomly divided into two dietary groups and fed either a moderately zinc-deficient diet (zinc content 9 mg/kg; n = 12) or a control diet (zinc content 30 mg/kg; n = 12) for 60 d. The following were measured: systolic BP, nitrates and nitrites urinary excretion, urinary chemiluminescence intensity, NADPH-diaphorase activity in the thoracic aorta and intestinal arterioles, and NO synthase (NOS) catalytic activity using L-[U14C]-arginine as substrate in the thoracic aorta. Zinc deficiency during growth induced an increase in BP from day 30 of the experimental period, leading to hypertension on day 60. Animals that were fed the zinc-deficient diet had lower urinary excretion levels of nitrates and nitrites and higher intensity of spontaneous luminescence on day 60. At the end of the experiment, zinc-deficient rats showed decreased NADPH diaphorase activity in endothelium and smooth muscle of the thoracic aorta and intestinal arterioles and decreased activity of NOS in thoracic aortic tissue. An imbalance in zinc bioavailability during postnatal and growing periods may be may be a risk factor in development of cardiovascular alterations in adult life. The mechanisms involved may include an impaired vascular NO system as a result of decreased NOS activity and higher systemic oxidative stress.

Participación del receptor NPR-C en la activación de la sintetasa de óxido nítrico inducida por el péptido natriurético auricular en el corazón, la arteria aorta y el riñón / The role of NPR-C receptor on the activation of nitric oxide synthase induced by atrial natriuretic peptide in the heart, aorta artery and kidney

En trabajos previos demostramos que la activación de la sintetasa de óxido nítrico (NOS) mediaría, al menos en parte, las acciones hipotensoras, diuréticas y natriuréticas del péptido natriurético auricular (ANP). El objetivo fue investigar el tipo de receptor natriurético y los mecanismos de señalización involucrados en la activación de la NOS en presencia de ANP. Se trabajó con aurícula, aorta y riñon de ratas Wistar macho, previamente sacrificadas por decapitación. En dichos tejidos se midió la actividad de las NOS (pmol L-[U14C] citrulina/g tejido) utilizando L-[U14C] arginina como sustrato. Tanto el ANP como el cANP (4-23) (agonista específico de receptores NPR-C) aumentaron la actividad de la NOS en todos los tejidos y este aumento fue mayor para el ANP en el riñón y la aorta y similar para ambos péptidos en la aurícula. Estos efectos fueron bloqueados por la nifedipina (bloqueante de canales de Ca²+ tipo L). La inhibición de la proteína Gi1-2 con toxina pertussis bloqueó el efecto del cANP sobre la enzima tanto en la aurícula y la arteria como en el riñón. En la aurícula, la activación de la NOS mediada por el ANP se debería a la interacción del péptido con el receptor natriurético NPR-C, mientras que en el riñón y en la aorta participarían además los receptores natriuréticos NPR-A y/o B. El ANP interactuaría con el receptor NPR-C acoplado a la vía de la proteína Gi, activando la NOS Ca²+ dependiente.