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Pathophysiological relevance of PDE inhibition in lung fibroblasts for the treatment of pulmonary diseases

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Pathophysiologische Relevanz der PDE Inhibition bei Lungenfibroblasten zur Behandlung von Atemwegserkrankungen
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Lung fibroblast proliferation and differentiation into myofibroblast are pathological key events during fibrotic alterations occuring in pulmonary diseases such as asthma, idiopathic pulmonary fibrosis or chronic obstructive pulmonary disease. Cyclic nucleotide signaling is described as a negative modulator of these cellular processes, and cyclic AMP degrading type 4 phosphodiesterases (PDE4) are important regulators of these pathways. Together with various cAMP-generating isoforms of adenylyl cyclases and effectors, PDE4 subtypes constitute a network that regulates the signaling via numerous mediators, e.g. growth factors or cytokines. Several studies using selective PDE4 inhibitors under clinical development have shown that the induced increase of cAMP can inhibit lung fibroblast functions and might be able to mitigate lung tissue remodeling. The role of PDE4 subtypes in these functions remains unknown. This thesis aims to analyze mechanisms of cytokine-induced functions of human lung fibroblasts, such as proliferation and differentiation, and to determine the role of PDE4 subtypes within these processes. This study demonstrates, that bFGF-induced proliferation of human lung fibroblasts is either potentiated by the presence of the inflammatory cytokine IL-1β or inhibited depending on the IL-1β concentration. The antiproliferative activity of PDE4 inhibitors (but not of PDE3 inhibitors) is due to the increase of PGE2 by IL-1β via the COX-2/PGE2-synthase pathway. Moreover, this IL-1β triggered signaling pathway is further potentiated by bFGF by increasing IL-1β induced COX-2 expression. In order to assess the role of PDE4 subtypes, their expression in human lung fibroblasts was down regulated by using an optimized liposome mediated transfection method and specific siRNA´s. With this technology, different PDE4 subtypes were assigned to distinct functions of human lung fibroblast. The knockdown of PDE4A and PDE4B inhibited cytokine-induced proliferation, whereas knockdown of PDE4D did not. In contrast, TGF-β induced differentiation of lung fibroblasts to myofibroblasts was only prevented by knockdown of PDE4B and PDE4D, but not of PDE4A. The identification of the predominant role of PDE4B in controlling pathophysiological relevant functions of human lung fibroblasts provides now a rationale for pharmaceutical development of subtype specific PDE4 inhibitors with higher efficacy and a broader therapeutic window.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Proliferation von Lungenfibroblasten und ihre Differenzierung zu Myofibroblasten sind pathologische Schlüsselereignisse bei fibrotischen Veränderungen, die in Atemwegserkrankungen wie Asthma, idiopathische Lungenfibrose oder chronisch obstruktiven Atemwegserkrankungen vorkommen. Bei diesen zellulären Vorgängen gelten die Signalwirkungen von zyklischen Nukleotiden als negative Regulatoren. Die cAMP degradierenden Phosphodiesterasen vom Typ 4 (PDE4) sind wesentliche Regler dieser Signalwege. Im Zusammenspiel mit verschiedenen cAMP-generierenden Isoformen der Adenylatzyklasen und Effektoren, bilden die Subtypen der PDE4 ein Netzwerk der Regulation von Signalen, die von Mediatoren wie Wachstumsfaktoren oder Zytokinen ausgelöst werden. Studien mit PDE4 Inhibitoren, die sich in der klinischen Entwicklung befinden, haben gezeigt, das der induzierte Anstieg von cAMP die Funktionen von Lungenfibroblasten unterbindet und damit in der Lage ist Lungengewebsveränderungen zu unterdrücken. Welche Rolle bei diesen Funktionen die Subtypen der PDE4 spielen, ist nach wie vor unbekannt. Diese Dissertation hat zum Ziel, die Mechanismen der Zytokin-induzierten Funktionen, wie die Proliferation und Differenzierung von humanen Lungenfibroblasten zu analysieren, sowie die Aufgabe der PDE4 Subtypen bei diesen Prozessen zu untersuchen. Die Studie zeigt, daß die bFGF-induzierte Proliferation von humanen Lungenfibroblasten, abhängig von der gegenwärtigen Konzentration des inflammatorischen Zytokins IL-1β, verstärkt oder inhibiert wird. Die antiproliferierende Wirkung der PDE4 Inhibitoren (jedoch nicht der PDE3 Inhibitoren) beruht auf der Erhöhung der Bildung von PGE2 durch IL-1β über den COX-2/PGE2-Syntheseweg. Zusätzlich wird dieser durch IL-1β ausgelöste Signalweg durch bFGF noch weiter verstärkt, indem dieses die IL-1β-induzierte COX-2 Expression potenziert. Um die Rolle der in humanen Lungenfibroblasten exprimierten Subtypen der PDE4 zu charakterisieren, wurden diese individuell mittels einer optimierten Liposomen vermittelten Transfektionsmethode und spezifischen siRNAs herunterreguliert. Damit war es möglich, den verschiedenen Subtypen der PDE4 diskrete Funktionen in humanen Lungenfibroblasten zuzuordnen. So inhibierte der Knockdown der PDE4A und PDE4B die Zytokin-induzierte Proliferation, wohingegen der Knockdown von PDE4D keine Wirkung zeigte. Im Gegensatz dazu wurde die TGF-β-induzierte Differenzierung von Lungenfibroblasten zu Myofibroblasten durch den Knockdown der PDE4B und PDE4D verhindert, jedoch nicht durch den Knockdown der PDE4A. Die Identifizierung der dominierenden Rolle der PDE4B, in der Kontrolle pathophysiologisch relevanter Funktionen in humanen Lungenfibroblasten, liefert damit einen klar definierten, molekularen Ansatzpunkt für die pharmazeutische Entwicklung besserer subtypspezifischer PDE4 Inhibitoren.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Lungenfibroblasten, bFGF, IL-1b, cAMP, Proliferation, Myofibroblasten, Lungfibroblast, bFGF, IL-1b, cAMP, proliferation, myofibroblasts

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ISO 690SELIGE, Jens, 2010. Pathophysiological relevance of PDE inhibition in lung fibroblasts for the treatment of pulmonary diseases [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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March 29, 2010
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