Role of the Na+/Ca+ exchanger 1 (NCX1) in the protective response elicited by glutamate in cardiac cells exposed to hypoxia/reoxygenation (H/R)

L'ischemia miocardica determina una drastica riduzione della produzione di ATP, con conseguente squilibrio ionico e morte cellulare. La fornitura di substrati metabolici durante la riperfusione è in grado di aumentare significativamente la tolleranza cardiaca al danno ischemico migliorando le funzioni mitocondriali. In condizioni di normossia, il glutammato può contribuire all'equilibrio energetico del miocardio agendo come substrato per le reazioni anaplerotiche. In questo contesto, lo scambiatore Na+/Ca2+ (NCX1) svolge un ruolo fondamentale come supporto funzionale, favorendo sia l’ingresso di glutammato all’interno della cellula sia il suo conseguente utilizzo per la sintesi di ATP. A tal proposito, nel presente studio è stato valutato il ruolo svolto da NCX nel miglioramento del metabolismo energetico e della sopravvivenza cellulare indotto da glutammato in modelli cardiaci sottoposti ad uno specifico protocollo di ipossia/riossigenazione (I/R). In particolare è stato osservato in cellule H9c2-NCX1 che, i livelli di ATP, le funzioni mitocondriali e la sopravvivenza cellulare risultano significativamente compromessi in seguito al danno da I/R. La somministrazione di glutammato all'inizio della fase di riossigenazione incrementava, in modo significativo, la vitalità, migliorava le funzioni mitocondriali e normalizzava l'aumento dell'attività “inversa” di NCX1 indotto dal protocollo di I/R. Gli effetti benefici del glutammato non venivano osservati sono sorprendentemente in cellule H9c2-WT (caratterizzate da una mancata espressione di NCX1), e in cellule H9c2-NCX1 e cardiomiociti di ratto trattati con inibitori dello scambiatore e con bloccanti dei trasportatori degli amminoacidi eccitatori (EAAT), suggerendo che un'interazione funzionale tra questi due trasportatori è necessaria per ottenere la protezione indotta da glutammato. Collettivamente, i risultati ottenuti hanno rivelato per la prima volta il ruolo chiave di NCX1 nell’effetto protettivo del glutammato contro il danno cellulare da I/R.

Myocardial ischemia culminates in ATP production impairment, ionic derangement and cell death. The provision of metabolic substrates during reperfusion significantly increases heart tolerance to ischemia by improving mitochondrial performance. Under normoxia, glutamate contributes to myocardial energy balance as substrate for anaplerotic reactions, and we demonstrated that the Na+/Ca2+ exchanger1 (NCX1) provides functional support for both glutamate uptake and use for ATP synthesis. Here the role of NCX1 was studied in the potential of glutamate to improve energy metabolism and survival of cardiac cells subjected to hypoxia/reoxygenation (H/R). Specifically, in H9c2-NCX1 myoblasts, ATP levels, mitochondrial activities and cell survival were significantly compromised after H/R challenge. Glutamate supplementation at the onset of the reoxygenation phase significantly promoted viability, improved mitochondrial functions and normalized the H/R-induced increase of NCX1 reverse-mode activity. The benefits of glutamate were strikingly lost in H9c2-WT (lacking NCX1 expression), or in H9c2-NCX1 and rat cardiomyocytes treated with either NCX or Excitatory Amino Acid Transporters (EAATs) blockers, suggesting that a functional interplay between these transporters is critically required for glutamate-induced protection. Collectively, these results revealed for the first time the key role of NCX1 for the beneficial effects of glutamate against H/R-induced cell injury.