Dokument: Identifizierung und Adressierung von Targets zur Therapie der Calcific Aortic Valve Disease - Die Rolle des TGF-β1-Signalwegs und des Adiponektin-Rezeptorsystems
| Titel: | Identifizierung und Adressierung von Targets zur Therapie der Calcific Aortic Valve Disease - Die Rolle des TGF-β1-Signalwegs und des Adiponektin-Rezeptorsystems | |||||||
| Weiterer Titel: | Identification and addressing of targets for therapy of Calcific Aortic Valve Disease - The role of the TGF-β1 signaling pathway and of the adiponectin receptor system | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58728 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20220211-142253-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Kistner, Julia [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Artur Lichtenberg [Gutachter] Prof. Dr. Gödecke, Axel [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Calcific aortic valve disease (CAVD) ist die häufigste erworbene Herzklappenerkrankung und durch fortschreitende Fibrose und Kalzifizierung der Aortenklappe charakterisiert. Die CAVD-Progression wird durch die myofibroblastoide und osteoblastoide Differenzierung valvulärer Interstitialzellen (VICs) vorangetrieben. Aufgrund der komplexen Pathogenese ist bislang keine medikamentöse CAVD-Therapie verfügbar. In der vorliegenden Arbeit wurden in drei Teilprojekten zum einen mechanistische Aspekte der CAVD-Pathogenese und zum anderen die antifibrotische bzw. antikalzifizierende Wirkung von Small Molecule Drugs als potentielle CAVD-Therapeutika untersucht. Dabei standen der TGF-β1-Signalweg und das Adiponektin-Rezeptorsystem im Fokus der Analysen.
Teilprojekt I: Der Nachweis erhöhter TGF-β1-Gewebekonzentrationen in stenosierten Aortenklappen (AOK) deutet auf eine wesentliche Beteiligung des Zytokins TGF-β1 an der CAVD-Pathogenese. Jedoch konnten in-vitro-CAVD-Modelle unter Verwendung isolierter VICs bislang keine klaren Hinweise für die genaue Rolle von TGF-β1 liefern. Unter Verwendung von ovinen AOK-Taschen als gewebebasiertes 3D-CAVD-Modell konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass TGF-β1 die expressionelle und proliferative Aktivierung sowie die myofibroblastoide Differenzierung der VICs durch Aktivierung des Transkriptionsfaktors SMAD3 intensiviert und so über die verstärkte Sekretion von Kollagen Typ I eine dominante Gewebefibrose auslöst. In diesem Kontext erhöhte TGF-β1 zudem die VIC-Gehalte an rauem Endoplasmatischen Retikulum, Golgi-Apparaten und sekretorischen Vesikeln sowie die VIC-Zelldichte. Gleichzeitig wirkte TGF-β1 durch Inhibition der Aktivierung von SMAD1/5/8 und des kanonischen Wnt/β-Catenin-Signalwegs antiapoptotisch und blockierte die osteoblastoide VIC-Differenzierung. Insgesamt führten diese Effekte zu einer Blockade der Kalzifizierung des AOK-Gewebes und der damit verbundenen Auflösung des Kollagenfasernetzwerks. Stattdessen kam es in Anwesenheit von TGF-β1 zu einer starken Fibrose des AOK-Gewebes. Diese Daten stellen eine generelle Krankheitsphasen-unabhängige CAVD-fördernde Rolle von TGF-β1 in Frage. Teilprojekt II: Das bereits zur Therapie der idiopathischen Lungenfibrose zugelassene Small Molecule Drug Pirfenidon wirkt nachweislich antifibrotisch, indem es die TGF-β1-induzierte Kollagenproduktion, die Synthese von fibrinogenen Zytokinen sowie das fibrotische EZM-Remodelling inhibiert. Diese Mechanismen sind ebenfalls für die CAVD relevant, weshalb die Wirkung von Pirfenidon auf die CAVD-Pathogenese im VIC-basierten 2D- und gewebebasierten 3D-CAVD-Modell untersucht wurde. Im Kontext der Fibrose-Entstehung blockierte Pirfenidon konzentrationsabhängig durch Inhibition der SMAD3-Aktivierung die TGF-β1-induzierte Hochregulation von Kollagen Typ I sowie die myofibroblastoide VIC-Differenzierung. Es zeigte sich zudem, dass Pirfenidon die Aktivierung sowohl der BMP-2-SMAD1/5/8- als auch der kanonischen Wnt/β-Catenin-Signalachse inhibiert, die zusammen zur osteoblastoiden VIC-Differenzierung und der damit einhergehenden AOK-Gewebekalzifizierung beitragen. Somit stellt Pirfenidon aufgrund seiner bekannten antifibrotischen und erstmalig in dieser Arbeit nachgewiesenen antikalzifizierenden Effekte einen vielversprechenden Wirkstoffkandidaten für die medikamentöse Therapie der CAVD dar. Teilprojekt III: Das Adipozytokin Adiponektin und sein ubiquitär exprimiertes Rezeptorsystem (AdipoR1, AdipoR2 und T-Cadherin) vermitteln neben protektiven metabolischen und immunmodulatorischen auch antifibrotische und antikalzifizierende Effekte. In früheren Patientenstudien zeigte sich, dass die kardiovaskuläre Expression des Adiponektin-Rezeptorsystems bei Adipositas und Diabetes Typ 2 als CAVD-Risikofaktoren supprimiert ist und der Schweregrad einer AOK-Stenose negativ mit den Adiponektin-Plasmakonzentrationen korreliert. Daher wurde in dieser Arbeit zum einen die expressionelle Regulation des Adiponektin-Rezeptorsystems während der klinischen CAVD-Pathogenese und darüber hinaus in vitro Effekte des Adiponektin-Rezeptoragonisten AdipoRon auf Fibrose und Kalzifizierung in 2D- und 3D-CAVD-Modellen analysiert. Bei der Expressionsanalyse des Adiponektin-Rezeptorsystems in humanen AOK zeigte sich mit fortschreitender CAVD-Pathogenese – unabhängig vom Vorliegen eines Diabetes Typ 2 als metabolischer Komorbidität – eine zunehmende Suppression von AdipoR1, AdipoR2 und T-Cadherin. In vitro konnte jedoch nur im 3D-CAVD-Modell und ausschließlich für AdipoR2 eine Herabregulation der Expression in fibrotischen und kalzifizierten AOK-Taschen beobachtet werden. Darüber hinaus zeigte sich weder im 2D- noch im 3D-CAVD-Modell eine Wirkung von AdipoRon auf die TGF-β1-induzierte profibrotische Expression von Kollagen Typ I bzw. osteoblastoide VIC-Differenzierung und Hydroxyapatit-Akkumulation unter prokalzifizierenden Kulturbedingungen. Damit bleibt trotz Suppression des Adiponektin-Rezeptorsystems im klinischen Verlauf der CAVD seine aktivierende Adressierung in in vitro-CAVD-Modellen ohne therapeutische Effekte.Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most frequent acquired heart valve disease and is characterized by progressive valvular fibrosis and calcification. CAVD progression is driven by myofibrotic and osteoblastic differentiation of vavlular interstital cells (VICs). However, because of its complex pathogenesis there is currently no drug-based CAVD therapy available. In the present thesis mechanistic aspects of CAVD pathogenesis as well as anti-fibrotic and anti-calcific effects of small molecule drugs as potential CAVD therapeutics were investigated in three subprojects, with focusing the TGF-β1 signaling pathway and the adiponectin receptor system. Subproject I: Expression data from patient biopsies suggest that TGF-β1 is implicated in CAVD pathogenesis. However, CAVD models using isolated VICs failed to deliver clear evidence on the role of TGF-β1. Employing cultures of aortic valve leaflets in a tissue-based three-dimensional (3-D) CAVD model, we could show that TGF-β1 intensifies expressional and proliferative activation along with myofibroblastic differentiation of VICs thus triggering dominant fibrosis through activation of transcription factor SMAD3 and increased secretion of collagen type I. In this context TGF-β1 increased VIC contents of rough endoplasmatic reticulum, Golgi apparatus and secretory vesicles as well as VIC density. Simultaneosly, by inhibiting SMAD1/5/8 activation and canonical Wnt/β-catenin signaling TGF-β1 acts anti-apoptotic and attenuates osteoblastic VIC differentiation thus blocking valvular tissue calcification and associated disintegration of collagen fibers. Instead, TGF-β1 induced development of fibrosis. These findings question a general disease phase-independent CAVD-promoting role of TGF-β1. Subproject II: Pirfenidone is a small molecule drug with well-known anti-fibrotic impact, which is approved for the treatment of idiopathic pulmonary fibrosis. Its anti-fibrotic effects are attributed to inhibiting TGF-β1-induced collagen production, synthesis of fibrinogenic cytokines and fibrotic ECM remodelling. As these mechanisms are also relevant for CAVD, effects of pirfenidone on CAVD pathogenesis were investigated in VIC-based 2-D and tissue-based 3-D CAVD models. With regard to emergence of fibrosis pirfenidone dose-dependently attenuated the TGF-β1-induced upregulation of collagen type I expression and myofibroblastic VIC differentiation by inhibiting the activation of transcription factor SMAD3. Furthermore pirfenidone inhibited the activation of the BMP-2-SMAD1/5/8 as well as canonical Wnt/β-catenin signaling, which both contribute to osteoblastic VIC differentiation and associated valvular calcification. Thus, due to its anti-fibrotic and – first time shown in this thesis – anti-calcific effects pirfenidone is a promising candidate for the drug-based treatment of CAVD. Subproject III: The adipocytokine adiponectin and its ubiquitously expressed receptor system (AdipoR1, AdipoR2 and T-Cadherin) mediates protective metabolic and immunomodulatory effects as well as anti-fibrotic and anti-calcific effects. Moreover, previous patient studies revealed that cardiovascular expression of the adiponectin receptor system is suppressed in the context of CAVD risk factors obesity and diabetes type 2, while in patients suffering from aortic stenosis adiponectin plasma levels have been shown to correlate inversely with disease severity. Thus, regulation of adiponectin receptors during clinical CAVD pathogenesis as well as in vitro-effects of addressing the adiponectin receptor system with the receptor agonist AdipoRon on CAVD progression were evaluated in 2-D and 3-D CAVD models. Expression levels of AdipoR1, AdipoR2 and T-Cadherin were increasingly diminished in calcified aortic valves compared to their normal counterparts and tended to decrease with proceeding CAVD pathogenesis, which was independent of diabetes type 2 as metabolic comorbidity. However, in vitro only a downregulation of AdipoR2 expression could be demonstrated in fibrotic and calcific aortic valve leaflets in the tissue-based 3-D CAVD model. In 2-D and 3-D CAVD models AdipoRon neither inhibited the TGF-β1-induced synthesis of the ECM component collagen type I nor the procalcific culture-induced osteoblastic VIC differentiation and the associated hydroxyapatite accumulation. Overall, these results demonstrate that despite suppression of the adiponectin receptor system during clinical CAVD pathogenesis, in vitro-targeting of the receptor system in CAVD models has no disease-modifying effects. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 11.02.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.02.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 15.06.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 14.12.2021 |
