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Inhibition of the JAK2-STAT3 pathway using ruxolitinib as a therapeutic option for pulmonary hypertension

Yerabolu, Naga Dinesh Reddy


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-156580
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2020/15658/


Universität Justus-Liebig-UniversitĂ€t Gießen
Institut: Institute of Pulmonary Pharmacotherapy
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mĂŒndlichen PrĂŒfung: 06.11.2020
Erstellungsjahr: 2020
Publikationsdatum: 12.11.2020
Kurzfassung auf Englisch: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by an excessive vascular remodeling, which accounts for the obliteration of the lung vasculature resulting an increase in vascular resistance and mean blood pressure in the pulmonary arteries ultimately leading to right heart failure and death. Vascular remodeling involves increased proliferation of cells in all three layers of the vessels; intimal-endothelial, medial-smooth muscle and adventitial-fibroblast cells. Deciphering the molecular details of aberrant signaling in pulmonary vascular cells in P(A)H is fundamental for the development of new therapeutic strategies.
I aimed to identify tyrosine kinases as new potential drug targets that are dysregulated in PAH by means of a peptide-based kinase activity assay. I performed a tyrosine kinase dependent phosphorylation assay using 144 selected microarrayed kinase substrate peptides. The differential signature of phospho-peptides was used to predict alterations in tyrosine kinase activities in pulmonary arterial smooth muscle cells (HPASMCs) from IPAH patients compared to healthy control cells. Thereby, i observed an over-activation and an increased expression of Janus kinase 2 (Jak2) in HPASMCs from IPAH patients. In line with this finding, increased expression of Jak2 and it’s downstream target Stat3 was observed in HPASMCs from IPAH patients as compared to donors. Furthermore, similar upregulation was observed in lung homogenates from MCT rats as compared to healthy rats.
I demonstrated a decrease in proliferation and migration of HPASMCs from healthy individuals as well as from IPAH patients upon exposure to the FDA-approved Jak2-inhibitor ruxolitinib.
In vivo experiments were performed in two established experimental models of pulmonary hypertension – MCT rats and chronic hypoxia mice. I demonstrated, ruxolitinib dose-dependently attenuated elevated pulmonary arterial pressure, reduced right heart hypertrophy and restored cardiac index in hypoxia-induced PH in mice and monocrotaline-induced PAH in rats. No adverse events of ruxolitinib on cardiac function could be detected. These results suggest that ruxolitinib is a novel therapeutic agent in PAH by effectively blocking Jak2-Stat3 mediated signaling pathways.
Kurzfassung auf Deutsch: Die pulmonale arterielle Hypertonie (PAH) ist durch eine abnorme Umwandlung der PulmonalgefĂ€ĂŸe gekennzeichnet, welche fĂŒr die Obliteration dieser BlutgefĂ€ĂŸe verantwortlich ist. Diese fĂŒhrt zu einem Anstieg des GefĂ€ĂŸwiderstands und des Blutdrucks in den Lungenarterien, was letztlich zur Rechtsherzinsuffizienz und dem vorzeitigen Tod fĂŒhrt. Die Umwandlung der BlutgefĂ€ĂŸe geht mit einer verstĂ€rkten Proliferation der Zellen in allen drei Schichten der GefĂ€ĂŸe einher; intimal- Endothelzellen, medial- glatte Muskelzellen und adventitial- Fibroblasten. Die EntschlĂŒsselung der molekularen Details der verĂ€nderten SignalĂŒbertragung in den Zellen der PulmonalgefĂ€ĂŸe in der P(A)H ist essentiell fĂŒr die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien.
Ziel dieser Arbeit war es, durch einen Peptid-basierten KinaseaktivitĂ€tstest, in der PAH deregulierte Tyrosinkinasen als neue potenzielle Wirkstoffziele zu identifizieren. Ich habe einen Tyrosinkinase-abhĂ€ngigen Phosphorylierungstest mit 144 ausgewĂ€hlten, auf einem Microarray Chip fixierten Kinase-Substrat-Peptiden durchgefĂŒhrt. Die unterschiedliche Signatur der Phosphopeptide wurde verwendet, um VerĂ€nderungen der TyrosinkinaseaktivitĂ€ten in pulmonal arteriellen glatten Muskelzellen (HPASMCs) von IPAH-Patienten, im Vergleich zu gesunden Kontrollzellen, zu prognostizieren. Dabei beobachteten ich eine Überaktivierung und eine erhöhte Expression der Janus-Kinase 2 (Jak2) in HPASMCs von IPAH-Patienten. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen konnte eine erhöhte Expression von Jak2 und seinem nachgeschalteten Zielprotein Stat3 in HPASMCs von IPAH-Patienten, im Vergleich zu HPASMCs von gesunden Probanden, beobachtet werden. Dieselbe Hochregulation trat auch in Lungenhomogenisaten von MCT Ratten, verglichen mit gesunden Ratten, auf.
Durch die Behandlung mit dem von der FDA zugelassenen Jak2 Inhibitor Ruxolitinib konnten ich eine Abnahme der Proliferation und Migration von HPASMCs von gesunden Probanden, sowie von IPAH-Patienten, zeigen. Die in vivo Experimente wurden in zwei etablierten experimentellen Modellen der pulmonalen Hypertonie durchgefĂŒhrt, MCT-Ratten und chronisch hypoxischen MĂ€usen. Ich zeigten, dass Ruxolitinib dosisabhĂ€ngig den pulmonalen arteriellen Druck verringert, die Hypertrophie des rechten Herzens reduziert und den Herzindex, in Hypoxie induzierter PH in MĂ€usen und in der Monocrotalin induzierten PAH in Ratten, wiederherstellt. Zudem konnten keine Nebenwirkungen von Ruxolitinib auf die Herzfunktion identifiziert werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Ruxolitinib, ein neuartiges therapeutisches Mittel fĂŒr die PAH ist, indem es Jak2-Stat3-vermittelte Signalwege effektiv blockiert.
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