The erythropoietin receptor expressed in skeletal muscle is essential for mitochondrial biogenesis and physiological exercise

Erythropoietin (EPO) is a haematopoietic hormone that regulates erythropoiesis, but the EPO-receptor (EpoR) is also expressed in non-haematopoietic tissues. Stimulation of the EpoR in cardiac and skeletal muscle provides protection from various forms of pathological stress, but its relevance for normal muscle physiology remains unclear. We aimed to determine the contribution of the tissue-specific EpoR to exercise-induced remodelling of cardiac and skeletal muscle. Baseline phenotyping was performed on left ventricle and m. gastrocnemius of mice that only express the EpoR in haematopoietic tissues (EpoR-tKO). Subsequently, mice were caged in the presence or absence of a running wheel for 4 weeks and exercise performance, cardiac function and histological and molecular markers for physiological adaptation were assessed. While gross morphology of both muscles was normal in EpoR-tKO mice, mitochondrial content in skeletal muscle was decreased by 50%, associated with similar reductions in mitochondrial biogenesis, while mitophagy was unaltered. When subjected to exercise, EpoR-tKO mice ran slower and covered less distance than wild-type (WT) mice (5.5 ± 0.6 vs. 8.0 ± 0.4 km/day, p < 0.01). The impaired exercise performance was paralleled by reductions in myocyte growth and angiogenesis in both muscle types. Our findings indicate that the endogenous EPO-EpoR system controls mitochondrial biogenesis in skeletal muscle. The reductions in mitochondrial content were associated with reduced exercise capacity in response to voluntary exercise, supporting a critical role for the extra-haematopoietic EpoR in exercise performance. SUPPLEMENTARY INFORMATION: The online version contains supplementary material available at 10.1007/s00424-021-02577-4

Erythropoietin in the intensive care unit: beyond treatment of anemia

Erythropoietin (EPO) is the major hormone stimulating the production and differentiation of red blood cells. EPO is used widely for treating anemia of critical illness or anemia induced by chemotherapy. EPO at pharmacological doses is used in this setting to raise hemoglobin levels (by preventing the apoptosis of erythroid progenitor cells) and is designed to reduce patient exposure to allogenic blood through transfusions. Stroke, heart failure, and acute kidney injury are a frequently encountered clinical problem. Unfortunately, in the intensive care unit advances in supportive interventions have done little to reduce the high mortality associated with these conditions. Tissue protection with EPO at high, nonpharmacological doses after injury has been found in the brain, heart, and kidney of several animal models. It is now well known that EPO has anti-apoptotic effects in cells other than erythroid progenitor cells, which is considered to be independent of EPOs erythropoietic activities. This review article summarizes what is known in preclinical models of critical illness and discusses why this does not correlate with randomized, controlled clinical trials

Erythropoietin in heart failure: effects beyond erythropoiesis

Erythropoietin in Heart Failure: Effects beyond Erythropoiesis Hartfalen is een ernstige cardiologische aandoening met een hoge mortaliteit en morbiditeit. Nieuwe behandelmethoden voor hartfalen zijn daarom gewenst. Het doel van dit proefschrift was het onderzoeken van de niet-hematopoietische effecten van EPO en het EPO-EPO receptor systeem. Daarnaast zijn de achterliggende processen van de werking van EPO and geassocieerde factoren in hartfalen bestudeerd om meer inzicht te krijgen in de pathofysiologische processen van hartfalen. In het eerste deel van dit proefschrift worden de niet-hematopoietische effecten van EPO en de rol van het EPO-EPO receptor systeem beschreven. De groeifactor VEGF speelt een cruciale rol in het werkingsmechanisme van EPO in hartfalen als EPO wordt toegediend als medicijn om de hartfunctie te verbeteren na een hartinfarct. Daarnaast is het EPO-EPO receptor systeem zeer belangrijk in de respons van de hartspier en skeletspieren op verhoogde inspanning zoals in topsport. Afwezigheid van de EPO receptor zorgt voor verminderde neovascularisatie en verminderde hypertrofie van hart- en skeletspiercellen. In het tweede deel van dit proefschrift worden interventies in hartfalen met EPO en de aanverwante factoren, oestradiol en heme arginaat, beschreven. Deze geneesmiddelen hebben, net als EPO, een anti-apoptotische en angiogenetische werking. Oestradiol is in staat om endotheel stamcellen uit het beenmerg vrij te maken en er voor te zorgen dat deze voor neovascularisatie zorgen in ischemische gebieden. Bij het doormaken van een hartinfarct komen schadelijke stoffen vrij in de vorm van vrije zuurstof radicalen. Deze vrije zuurstof radicalen zijn schadelijk en zijn waarschijnlijk een van de oorzaken van het ontstaan van hartfalen. Heme arginaat is in staat om deze vrije zuurstof radicalen weg te vangen, door activatie van het heme oxygenase systeem. Na een hartinfarct is er een endogene activatie van het heme oxygenase system, maar heme arginaat is niet in staat om de schadelijke effecten van een hartinfarct verder te doen afnemen. Wanneer er sprake is van comorbiditeit bij hartfalen, is de prognose van hartfalen nog slechter. Vooral wanneer er sprake is van anemie naast hartfalen. Een van de oorzaken van deze anemie is beenmerg disfunctie. Behandeling met EPO lijkt de aangewezen keuze, echter in dit proefschrift wordt aan getoond dat deze vorm van anemie niet tot nauwelijks reageert op de behandeling met EPO. Samenvattend kan worden geconcludeerd dat hartfalen een complex syndroom is, waarbij vele systemen een rol spelen. Dit vraagt om complexe behandelmethoden en aanvullend inzicht in de pathofysiologie en comorbiditeit van hartfalen. Heart failure is a serious disease with a poor prognosis, often occurring with co-morbidity including anemia. The focus of this study was to unravel the mechanisms of erythropoietin (EPO) in heart failure. The general outcome of the study is that the positive effects of EPO in heart failure are related to other mechanisms than its role in the formation of red blood cells.

Wirkung von Erythropoetin auf Arteriosklerose, arterielles Remodeling und arterielle Thrombose in einem Mausmodell mit Überexpression von humanem Erythropoetin

In dieser Arbeit wurde der Einfluss einer dauerhaften Exposition mit humanem Erythropoetin (EPO) auf arterielle Erkrankungen untersucht. Ziel war es, hämatopoetische und nicht-hämatopoetische Effekte auf das vaskuläre System zu detektieren und daraus protektive Effekte und möglicherweise unerwünschte Nebenwirkungen für den anämischen EPO-Patienten abzuleiten. Die Tg(Epo)-Maus, welche humanes EPO sauerstoffunabhängig überexprimert, wurde dafür als Modell verwendet. Es wurden 3 Krankheitsbilder näher betrachtet. ApoE-/-;Tg(Epo)-Mäuse dienten zur Beurteilung von Arteriosklerose, durch Drahtverletzung der A. femoralis comm. wurde arterielles Remodeling ausgelöst und mittels Eisen-3-Chlorid wurde eine arterielle Thrombose in der A. carotis comm. induziert. Das Ausmaß atherosklerotischer Plaques bei ApoE-/-;Tg(Epo)- und ApoE-/-;WT(Epo)-Tieren lag in einer ähnlichen Größenordnung. Während ApoE-/-;WT(Epo) vornehmlich Läsionen im Aortenbogen entwickelten, zeigten sich die Plaques bei ApoE-/-;Tg(Epo) im Bereich der Aortenursprünge und in der Aorta descendens. Es wird vermutet, dass eine ungleichmäßige Verteilung beziehungsweise Ansprechbarkeit von EPO-R in der Aorta die abweichende Plaquelokalisation bedingt. Die Drahtverletzung der A. femoralis ergab Hinweise auf eine größere Media und eine kleinere Neointima-Media-Ratio bei der Tg(Epo)-Maus. Verantwortlich ist dafür wahrscheinlich ein antiapoptotischer Effekt auf die glatten Muskelzellen der Media. Die Okklusionszeiten nach Eisen-3-Chlorid-Verletzung der A. carotis comm. bei Tg(Epo)- und WT(Epo)-Mäusen waren vergleichbar. Als Ursache wird das Zusammenspiel der erhöhten Blutviskosität mit einem derzeit nicht bekannten, nicht-hämatopoetischen Effekt vermutet. Zudem deutet eine verminderte Thrombozytenaktivierbarkeit bei der Tg(Epo)-Maus auf einen Schutz vor Thrombose hin. Es konnte gezeigt werden, dass die langfristige EPO-Wirkung keine nachteiligen Effekte auf Arteriosklerose und arterielle Thrombose ausübt. Arterielles Remodeling betreffend, scheint EPO die mediale Hyperplasie zu fördern und somit das Stenose- beziehungsweise Restenoserisiko zu erhöhen.This dissertation examined the influence of long term exposure to human erythropoietin (EPO) on various arterial diseases. The aim was to determine the hematopoietic and non-hematopoietic effects for evaluation of advantageous or possibly disadvantageous effects for anaemic patients in EPO therapy. Therefore the Tg(Epo) mouse strain served as model organism, as it overexpresses human EPO independently from oxygen levels. Three major areas were investigated. Atherosclerosis was studied in ApoE-/-;Tg(Epo) mice, arterial remodeling was initiated by wire injury of the common femoral artery and arterial thrombosis was induced through ferric chloride injury of the common carotid artery. The examination of the extent of atherosclerotic lesions showed comparable results between ApoE-/-;Tg(Epo) and ApoE-/-;WT(Epo) mice. While lesions in ApoE-/-;WT(Epo) mice mainly developed in the aortic arch, lesions in ApoE-/-;Tg(Epo) were located in the aortic sinus and the descending aorta between the branching of the left sublavian artery and the left renal artery. The formation of plaques is suspectedly caused by uneven distribution and responsiveness of EPO-R within the aorta. Resulting from the wire injury Tg(Epo) mice showed hints of enlargement of the tunica media and of a reduced neointima-media-ratio. This observation is likely to be an antiapoptotic effect of EPO on medial smooth muscle cells. Inspecting occlusion times of arteries, a similar range in Tg(Epo)- and WT(Epo) animals was observed. An interaction among increased blood viscosity and a yet unknown non-hematopoietic effect of EPO in Tg(Epo) might be causal. Flow cytometric measurements revealed a reduced platelet activity in Tg(Epo) mice, which might be protective in regard to thrombosis. In this study we were able to show that long term EPO doesn’t exert neither advantageous nor disadvantageous effects on atherosclerosis and arterial thrombosis. Regarding arterial remodeling EPO seems to aggravate restenosis and stenosis through enhancement of media formation

Wirkung von Erythropoetin auf Arteriosklerose, arterielles Remodeling und arterielle Thrombose in einem Mausmodell mit Überexpression von humanem Erythropoetin

In dieser Arbeit wurde der Einfluss einer dauerhaften Exposition mit humanem Erythropoetin (EPO) auf arterielle Erkrankungen untersucht. Ziel war es, hämatopoetische und nicht-hämatopoetische Effekte auf das vaskuläre System zu detektieren und daraus protektive Effekte und möglicherweise unerwünschte Nebenwirkungen für den anämischen EPO-Patienten abzuleiten. Die Tg(Epo)-Maus, welche humanes EPO sauerstoffunabhängig überexprimert, wurde dafür als Modell verwendet. Es wurden 3 Krankheitsbilder näher betrachtet. ApoE-/-;Tg(Epo)-Mäuse dienten zur Beurteilung von Arteriosklerose, durch Drahtverletzung der A. femoralis comm. wurde arterielles Remodeling ausgelöst und mittels Eisen-3-Chlorid wurde eine arterielle Thrombose in der A. carotis comm. induziert. Das Ausmaß atherosklerotischer Plaques bei ApoE-/-;Tg(Epo)- und ApoE-/-;WT(Epo)-Tieren lag in einer ähnlichen Größenordnung. Während ApoE-/-;WT(Epo) vornehmlich Läsionen im Aortenbogen entwickelten, zeigten sich die Plaques bei ApoE-/-;Tg(Epo) im Bereich der Aortenursprünge und in der Aorta descendens. Es wird vermutet, dass eine ungleichmäßige Verteilung beziehungsweise Ansprechbarkeit von EPO-R in der Aorta die abweichende Plaquelokalisation bedingt. Die Drahtverletzung der A. femoralis ergab Hinweise auf eine größere Media und eine kleinere Neointima-Media-Ratio bei der Tg(Epo)-Maus. Verantwortlich ist dafür wahrscheinlich ein antiapoptotischer Effekt auf die glatten Muskelzellen der Media. Die Okklusionszeiten nach Eisen-3-Chlorid-Verletzung der A. carotis comm. bei Tg(Epo)- und WT(Epo)-Mäusen waren vergleichbar. Als Ursache wird das Zusammenspiel der erhöhten Blutviskosität mit einem derzeit nicht bekannten, nicht-hämatopoetischen Effekt vermutet. Zudem deutet eine verminderte Thrombozytenaktivierbarkeit bei der Tg(Epo)-Maus auf einen Schutz vor Thrombose hin. Es konnte gezeigt werden, dass die langfristige EPO-Wirkung keine nachteiligen Effekte auf Arteriosklerose und arterielle Thrombose ausübt. Arterielles Remodeling betreffend, scheint EPO die mediale Hyperplasie zu fördern und somit das Stenose- beziehungsweise Restenoserisiko zu erhöhen.This dissertation examined the influence of long term exposure to human erythropoietin (EPO) on various arterial diseases. The aim was to determine the hematopoietic and non-hematopoietic effects for evaluation of advantageous or possibly disadvantageous effects for anaemic patients in EPO therapy. Therefore the Tg(Epo) mouse strain served as model organism, as it overexpresses human EPO independently from oxygen levels. Three major areas were investigated. Atherosclerosis was studied in ApoE-/-;Tg(Epo) mice, arterial remodeling was initiated by wire injury of the common femoral artery and arterial thrombosis was induced through ferric chloride injury of the common carotid artery. The examination of the extent of atherosclerotic lesions showed comparable results between ApoE-/-;Tg(Epo) and ApoE-/-;WT(Epo) mice. While lesions in ApoE-/-;WT(Epo) mice mainly developed in the aortic arch, lesions in ApoE-/-;Tg(Epo) were located in the aortic sinus and the descending aorta between the branching of the left sublavian artery and the left renal artery. The formation of plaques is suspectedly caused by uneven distribution and responsiveness of EPO-R within the aorta. Resulting from the wire injury Tg(Epo) mice showed hints of enlargement of the tunica media and of a reduced neointima-media-ratio. This observation is likely to be an antiapoptotic effect of EPO on medial smooth muscle cells. Inspecting occlusion times of arteries, a similar range in Tg(Epo)- and WT(Epo) animals was observed. An interaction among increased blood viscosity and a yet unknown non-hematopoietic effect of EPO in Tg(Epo) might be causal. Flow cytometric measurements revealed a reduced platelet activity in Tg(Epo) mice, which might be protective in regard to thrombosis. In this study we were able to show that long term EPO doesn’t exert neither advantageous nor disadvantageous effects on atherosclerosis and arterial thrombosis. Regarding arterial remodeling EPO seems to aggravate restenosis and stenosis through enhancement of media formation