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Phosphodiesterase 10A upregulation contributes to pulmonary arterial hypertension

Die Hochregulierung der Phosphodiesterase 10A begünstigt die pulmonal-arterielle Hypertonie

Tian, Xia


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Zentrum für Innere Medizin
Fachgebiet: Medizin fachübergreifend
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.04.2010
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 05.05.2010
Kurzfassung auf Englisch: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive disease defined by an
elevation of pulmonary vascular resistance due to sustained vessel contraction
and enhanced vascular remodeling. The abnormal tone and remodeling in the
pulmonary vasculature are believed to be related, at least in part, to the
decrease of cyclic nucleotide levels that are controlled by cyclic nucleotide
phosphodiesterases (PDEs).
PDEs, of which 11 families have been identified, maintain homeostasis of the
second messengers by catalyzing the hydrolysis of cAMP and cGMP with
diverse compartmentalization and substrate specificities. Interestingly,
increased expression of some PDE isoforms has been observed in PAH and
beneficial effects of PDE5 inhibitors, PDE1 inhibitors and PDE3/4 inhibitors
have been reported in clinical or experimental PAH. The role of PDE7-11 in
PAH has not been investigated, thus we aimed to investigate the expression
profile of those higher isoforms. In addition, we were interested in the
contribution of these enzymes to the pathophysiology of PAH using the wellestablished
monocrotaline (MCT)-induced pulmonary hypertensive rat model.
In this study, a prominent increase of PDE10A expression was observed
among the multiple newly identified PDEs (PDE7-11) which are all present in
lung tissue. Interestingly, the upregulation of PDE10A is specific in the
pulmonary vasculature of pulmonary hypertensive subjects without significant
changes in the systemic vasculature such as aorta or femoral artery.
As one of the most recently described PDEs, PDE10A is characterized as a
cAMP-PDE and a cAMP-inhibited cGMP-PDE. Research on PDE10 is mainly
focused on neurological studies because of its abundant expression in the brain.
We demonstrated for the first time the predominant localization of PDE10A in
the media of the small pulmonary arteries and nuclear compartmentalization in
pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs). In accordance, both
PDE10A expression and cAMP hydrolyzing activity are remarkably increased in
PASMCs from MCT-induced PH rats as compared to control rats, suggesting a
contribution of PDE10A to the proliferative phenotype of PASMCs in the
process of PH. Futher more, PDE10A immunoreactivity is strongly increased in
pulmonary arteries of IPAH patient lung sections as compared to the donors,
indicating clinical relevance of the findings obtained from the MCT model.
The anti-proliferative effect of PDE10 inhibition is proved to be largely relevant
to an increase of intracellular cAMP levels that may subsequently alter
downstream signaling events such as phosphorylation of the cAMP response
element binding protein (CREB). In our investigation, we found that inhibition of
PDE10A by employing a selective inhibitor of PDE10 (papaverine) or PDE10A
specific small interfering RNA (siRNA) promoted intracellular cAMP generation,
induced CREB phosphorylation and attenuated proliferation of PASMCs from
MCT-induced PH rats.
Furthermore, treating MCT-PH rats with the PDE10 inhibitor papaverine for 14
days by intravenous infusion markedly reduced right ventricular systolic
pressure values as well as total pulmonary vascular resistance index, without
effects on the systemic arterial pressure. In addition, the percentage of fully
muscularized peripheral pulmonary arteries was significantly decreased.
Taken together, this study supports a central role of PDE10A in progressive
pulmonary vascular remodeling and suggests a novel therapeutic opportunity
for the treatment of pulmonary arterial hypertension.
Kurzfassung auf Englisch: Die pulmonal-arterielle Hypertonie (PAH) ist durch einen zunehmend
ansteigenden Gefäßwiderstand definiert, welcher durch dauerhafte Kontraktion
kleiner Pulmonalarterien und ein verstärktes vaskuläres Remodeling zu einem
Anstieg des Blutdrucks im Lungenkreislauf führt. Diese pathologischen
Veränderungen der Pulmonalgefäße werden u.a. auf ein geringeres
Vorhandensein der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP zurück geführt, was
maßgeblich durch die Aktivität zyklischer Nukleotid- Phosphodiesterasen
(PDEs) bestimmt wird.
Die Familie der PDEs umfasst derzeit 11 Mitglieder. Sie hydrolysieren cAMP
und cGMP zu AMP bzw. GMP und haben durch ihre zelluläre und intrazelluläre
Verteilung und Substratspezifität einen bedeutenden Einfluss auf die
Homöostase dieser second messenger. Sowohl in experimenteller PAH als
auch in klinischen PAH-Studien konnte bereits gezeigt werden, dass eine
erhöhte Expression bestimmter PDEs vorliegt und dass die Behandlung mit
PDE5-, PDE1- und PDE3/4-Inhibitoren gefäßerweiternd wirkt und zudem einen
antiproliferativen und antimigrativen Effekt auf vaskuläre Zellen hat. Die Rolle
der PDEs 7 bis 11 in PAH ist bisher jedoch noch unzureichend erforscht. Daher
war unser Ziel heraus zu finden, ob Mitglieder dieser PDEs in der
Pathophysiologie der PAH eine Rolle spielen. Für diese Untersuchungen diente
uns das bereits etablierte experimentelle Modell der Monocrotalin (MCT) -
induzierten pulmonalen Hypertonie in der Ratte.
Als eine der erst kürzlich beschriebenen PDEs wird die PDE10A als cAMPPDE
und als cAMP-inhibierte cGMP-PDE bezeichnet und wird wegen ihres
Vorkommens im Gehirn hauptsächlich in neurologischen Studien untersucht. In
dieser Arbeit konnten wir erstmalig zeigen, dass die PDE10A eine
vorherrschende Expression in der Media kleiner Pulmonalarterien aufweist und
in pulmonal-arteriellen glatten Muskelzellen (PASMCs) überwiegend nukleär
lokalisiert ist. Im Vergleich zu Kontroll-PASMCs ist sowohl die Expression als
auch die cAMP-hydrolysierende Aktivität der PDE10A in PASMCs aus MCTinjizierten
Ratten deutlich erhöht, was eine Mitwirkung der PDE10A bei der
Proliferation der PASMCs und dem Fortschreiten der PAH vermuten lässt.
Desweiteren ist die PDE10A Immunoreaktivität in pulmonalen Arterien der
untersuchten Lungenbereiche von IPAH Patienten im Vergleich zu denen der
Spender stark erhöht, was darauf hinweist, daß eine klinische Relevanz dieser
Ergebnisse, die vom MCT Modell gezeigt wurden vorliegt.
Phosphodiesterase-Inhibitoren führen meist zu einer Erhöhung der
intrazellulären cAMP-Konzentration, was im Folgenden Auswirkungen auf den
Phosphorylierungsstatus und somit die Aktivität von Transkriptionsfaktoren wie
CREB (cAMP response element binding protein) hat. Unsere Untersuchungen
zeigten, dass die Hemmung der PDE10A durch Verabreichen des Inhibitors
Papaverin oder durch die Verwendung PDE10A-spezifischer kleiner
einzelsträngiger RNAs (siRNAs) zu einer gesteigerten intrazellulären cAMPKonzentration
führt, die Phosphorylierung von CREB induziert und die
Proliferation von PASMCs aus MCT-injizierten Ratten mit PAH vermindert.
Überdies wird die PASMC-Proliferation, verglichen mit der Hemmung weiterer
cAMP-abbauender PDEs, am meisten durch Inhibition der PDE10A verringert.
Die Behandlung von MCT-PH-Ratten mit dem PDE10A Inhibitor Papaverin für
14 Tage per intravenöse infusion reduzierte deutlich den systolischen Druck
des rechten Ventrikels ebenso wie den gesamten pulmonal-vaskulären
Widerstand, ohne den systemische Blutdruck zu beeinflussen. Ebenso war der
Prozentsatz von voll muskularisierten peripheren pulmonalen Arterien deutlich
durch diesen therapeutischen Ansatz gehemmt.
Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die PDE10A
eine zentrale Rolle im vaskulären Remodeling-Prozess einnimmt und daher ein
therapeutisches Ziel zur Behandlung von pulmonaler Hypertonie darstellen
könnte.
Bei der Untersuchung der PDE-Expression im Lungengewebe zeigte sich
neben der Expression der PDEs 7 bis 9 und der PDE11 eine deutlich erhöhte
Expression der PDE10A. Diese konnte zudem spezifisch in der verdickten und
veränderten Gefäßmuskulatur der Pulmonalarterien immunhistochemisch
lokalisiert werden. In systemischen Gefäßen wie der Aorta oder der
Femoralarterie konnten jedoch keine signifikanten Veränderungen in der
PDE10A-Expression festgestellt werden.