This study tested the hypothesis that with hypertrophy, the proportion, distribution, and structural alignment of fibrillar collagen are important determinants of myocardial stiffness. Toward this end, the collagen volume fraction (morphometry), the transmural or subendocardial distribution of collagen, and the structural arrangement of fibrillar collagens (picrosirius red) were examined in the hypertrophied ventricle secondary to pressure overload (abdominal aorta banding or perinephritis), isoproterenol, and pressure overload plus isoproterenol. In the same hearts, the slopes of the systolic and diastolic stress-strain relations of the left ventricle, representing its active and passive stiffness, respectively, were obtained. In comparison with controls, we found 1) for a moderate rise in transmural collagen, active and passive stiffness increased with pressure-overload hypertrophy; 2) following isoproterenol alone there was a marked increase in subendocardial collagen, and active and passive stiffness increased; 3) in pressure-overload hypertrophy plus isoproterenol, active stiffness declined. Passive stiffness was increased except when fibrosis and thinning of the interventricular septum occurred, in which case it decreased; and 4) fibrillar collagens involved in remodeling included the formation of either collagen strands and fibers in a greater number of previously collagen-free intermuscular spaces in pressure-overload hypertrophy, or a dense crisscrossing latticework of fibers that encircled muscle fibers after isoproterenol. Thus, an increase in fibrillar collagen in pressure-overload hypertrophy is partially adaptive in that it enhances the tensile strength and three-dimensional delivery of force by the myocardium, but at the expense of reducing distensibility. The appearance of a dense collagen meshwork within the subendocardium after isoproterenol can be considered pathological in that it entraps muscle fibers causing active stiffness to fall while impairing distensibility. Finally, fibrosis may paradoxically reduce passive stiffness if it leads to a thinning of the interventricular septum.

Although the role of angiotensin II (Ang II) in the pathogenesis and progression of the failing heart is uncertain, previous reports have suggested that myocyte injury may be a component in this process. In this study, we investigated this possibility in more detail. Cardiotoxic effects of nonacutely hypertensive doses of Ang II were examined in 90 rats, including those receiving an angiotensin infusion (200 ng/min i.p.) and those with renovascular hypertension, where endogenous stimulation of Ang II occurred. Myocyte injury and wound healing resulting from these treatments were evaluated by 1) immunofluorescence after in vivo monoclonal antibody labeling of myosin to detect abnormal sarcolemmal permeability, 2) [3H]thymidine incorporation into DNA, to detect fibroblast proliferation, and 3) light microscopic evidence of myocytolysis and subsequent scar formation. We found that exogenous Ang II produced multifocal antimyosin labeling of cardiac myocytes and myocytolysis, which were maximal on days 1-2 of the infusion. Subsequently, DNA synthesis rates were increased, with fibroblast proliferation reaching peak levels on day 2 (Ang II-treated rats, 90.0 +/- 18.6 cpm/micrograms DNA; control rats, 11.4 +/- 2.3 cpm/micrograms DNA; p less than 0.05); microscopic scarring was found on day 14 and represented 0.12 +/- 0.02% of the myocardium. Concurrent treatment with both propranolol (30 mg/kg/day s.c.) and phenoxybenzamine (5 mg/kg/day i.m.) did not attenuate Ang II-induced antimyosin labeling. Increased endogenous Ang II, resulting from renal ischemia after abdominal aortic constriction, produced both antimyosin labeling and increased rates of DNA synthesis like that observed with Ang II infusion. Both myocyte injury and fibroplasia were prevented with captopril (65 mg/day p.o.), but this protective effect was not seen with reserpine pretreatment. Infrarenal aortic banding without renal ischemia, on the other hand, produced hypertension without necrosis. We conclude that pathophysiological levels of endogenous as well as low-dose exogenous Ang II were associated with altered sarcolemmal permeability and myocytolysis with subsequent fibroblast proliferation and scar formation. Myocyte injury was unrelated to the hypertensive or enhanced adrenergic effects of Ang II or to hypertension per se. Captopril was effective in preventing myocyte injury in renovascular hypertension. The mechanism(s) responsible for Ang II-induced necrosis will require further study.

Treatment of rats with the beta-adrenergic agonist isoproterenol results in cardiac hypertrophy, myocyte necrosis, and interstitial cell fibrosis. Our objectives in this study have been to examine whether hypertrophy and fibrosis occur in a compensatory and reparative response to myocyte loss or whether either process may be occurring independently of myocyte loss and thus be a reactive response to adrenergic hormone stimulation. We have examined this question by evaluating each of these responses in rats treated with different doses and forms of isoproterenol administration. Myocyte necrosis was evaluated using in vivo labeling with monoclonal antimyosin for identification of myocytes with permeable sarcolemma, which was indicative of irreversible injury. Myocardial fibrosis was evaluated by morphometric point counting of Gomori-stained tissue sections and by assessment of the stimulation of fibroblast proliferation by determination of increased levels of DNA synthesis. Stimulation of fibroblast DNA synthesis was determined from DNA specific radioactivities and radioautography after pulse labeling with [3H]thymidine. The evidence provided by this study suggests that the degree and timing of myocardial hypertrophy does not follow the course of myocyte loss and, thus, appears to be either a response to altered cardiac loading or a reactive response to beta-adrenergic hormone stimulation rather than a compensation for myocyte loss. Myocardial fibrosis, on the other hand, appears to be more closely related to myocyte necrosis with respect to collagen accumulation in the same areas of the heart, its dose-response relation to the amount of isoproterenol administered, and the timing of increased DNA synthesis, or fibroblast proliferation, after myocyte loss.

Background: Women with heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) exhibit better clinical outcomes than men. In the recent murine model of HFpEF elicited by a high-fat diet (HFD) coupled with N [w]-nitro-l-arginine methyl ester (L-NAME), female mice showed less cardiac remodeling than males, independently from sex hormones. Also, male cardiac macrophages (Mo) from mice are more susceptible to inflammatory stimuli. It is unknown whether cardiac pro-inflammatory Mo derived from monocytes (CCR2 + MHCII + ) and resident repair Mo (CCR2 - MHCII + and CCR2 - MHCII - ) differ between males and females. Purpose: To characterize in mice of both genders with HFpEF the cardiac pro-inflammatory and the protective resident repair Mo. Methods: 12-week-old male and female C57BL/6N mice received HFD (60% kcal from fat) and L-NAME (0.65 g/L in drinking water) or control diet during 15 weeks and then sacrified. Cardiac function and cardiac pro-inflammatory and repair Mo were determined. Results: (mean±SEM, n=11-13 mice/group). Compared with males, female mice with HFpEF gained less BW (30% vs 47%, p<0.001) and walked a greater distance on the treadmill (550±52 vs 365±28 mts, p<0.01). Blood pressure was similar and significantly increased in both genders (p< 0.001). Glucose intolerance was observed only in males with HFpEF. The left ventricle septum and posterior wall were thicker in HFpEF males vs controls and HFpEF females (p≤0.001, F=67.1). Left atrium size was increased only in males with HFpEF by 24% (p<0.0001). In the female myocardium, the CCR2 - MHCII - Mo were significantly increased both in controls and in HFpEF mice vs male (p<0.001, F=11.4). Only in males with HFpEF, the CR2 + MHCII + Mo increased by 59% (p<0.001, F=12.9) and the CCR2 - MHCII + Mo decreased by 29% (p<0.05, F=3.7). Conclusions: The protective resident Mo (CCR2 - MHCII - ) are significantly increased in the heart of females versus males. In females, the HFpEF did not modify the levels of protective residents Mo which was associated to less CRM and better exercise performance in females versus males. Only in males with HFpEF, the cardiac monocyte-derived macrophages (CCR2 + MHCII + ) increased and resident macrophages (CCR2 - MHCII + ) that are partially replaced by monocytes decreased. The activation of resident cardiac Mo may be an important mechanism for prevention and treatment of cardiac remodeling in HFpEF. FONDECYT 1221585 (MPO), 1231604 (JJ), 1231909 (CAA), 11241074 (PA) and FONDAP 15130011(MPO, LG).