Inhibitors of the Ubiquitin-Proteasome System as Potential Therapeutic Agents for Cardiovascular Diseases

Abstract

The therapeutic potential of proteasome inhibitors as cytostatic drugs was early realized. However, it is the cytotoxic potential of proteasome inhibitors that has long hampered their therapeutic application as nontoxic remedies. Here, we provide evidence that proteasome inhibitors are potential remedies for the therapy of various cardiovascular diseases. While local and pronounced inhibition of the proteasome with high doses of proteasome inhibitors have anti-proliferative, anti-inflammatory and pro-apoptotic effects on vascular smooth muscle cells and suppress development of restenosis in rat carotid arteries, nontoxic and partial inhibition of the proteasome with low inhibitor doses induces a variety of beneficial effects in several different cardiovascular cell types: • reduced expression of collagen isoforms and matrixmetalloproteinases in cardiac fibroblasts, which is associated with suppression of cardiac fibrosis in spontaneous hypertensive rats; • suppressed hypertrophic growth of cardiomyocytes; • enhanced expression of eNOS versus downregulation of ET-1 in endothelial cells leading to improved endothelial function of rat aortic rings; • induction of a conserved stress response with upregulation of hsp70 and several anti-oxidative enzymes in cardiomyocytes and endothelial cells which is associated with protection from thermal and oxidative stress. Our data confirm the concept that proteasome inhibitors are able to act as poisons which induce cell death but also as remedies which modulate cellular function and protect from cell death. To reconcile these divergent effects of proteasome inhibitors we would like to extend the old observation of Paracelsus that “the right dose differentiates a poison and a remedy”, and postulate that for proteasome inhibitors the right dose and cell type differentiate a poison and a remedy: For a given cell type, the degree of proteasome inhibition determines whether the cell dies or is protected from death. While sustained inhibition of multiple sites strongly restricts overall protein turnover and ultimately results in cell death, partial inhibition of only the chymotrypsin-like site may affect degradation of specific sets of substrates and induces a protective stress response. This hypothesis might provide a conceptual framework to pave the way for the clinical application of proteasome inhibitors in other diseases beyond cancer, and in cardiovascular diseases in particular. However, application of proteasome inhibitors is clearly limited for diseases that require chronic treatment, since there is increasing evidence that long-term proteasome impairment may contribute to neurodegenerative disease, cardiac and aortic dysfunction, and aging. For this reason, short-term and/or local treatment with proteasome inhibitors may represent a more feasible approach. In particular, treatment of ischemia- reperfusion injuries and restenosis offer promising clinical applications, as proteasome inhibitors combine acute and local anti-proliferative and anti- inflammatory actions with beneficial systemic effects on endothelial function.

Das therapeutische Potential von Proteasominhibitoren als Zytostatika wurde bereits früh erkannt, und verhinderte lange den Einsatz von Proteasominhibitoren als nicht-toxische „Heilmittel“. Die hier dargestellten Daten belegen durch eine Reihe von proof of concept Experimenten, dass Inhibitoren des Proteasoms neue und viel versprechende „Heilmittel“ für die Therapie unterschiedlicher kardiovaskulärer Erkrankungen darstellen. Während die ausgeprägte Hemmung des Proteasoms durch hoch-dosierte Protesominhibitoren deutlich anti-proliferative, anti-inflammatorische und pro-apoptotische Effekte auf glatte Muskelzellen zeigt, die zu einer verminderten Restenose- Ausbildung in Rattenkarotiden beitragen, vermittelt die nicht-toxische und partielle Hemmung des Proteasoms durch niedrig-dosierte Proteasominhibitoren eine Reihe benefizieller Effekte in unterschiedlichen kardiovakulären Zelltypen: • Die reduzierte Expression mehrerer Kollagen Isoformen und Matrixmetalloproteinasen in kardialen Fibroblasten ist assoziiert mit einem deutlich verminderten Grad der kardialen Fibrose in spontan hypertensiven Ratten; • das hypertrophe Wachstum von Kardiomyozyten wird supprimiert; • eine erhöhte Expression von eNOS zusammen mit einer verminderten Expression von ET-1 in Endothelzellen korreliert mit einer verbesserten Endothelfunktion in Rattenaortenringen; • das Auslösen einer konservierten Stress-Antwort mit Hochregulation von hsp70 und der konzertierten Induktion mehrerer anti- oxidativer Enzyme schützt sowohl Endothelzellen wie auch Kardiomyozyten vor thermalen und oxidativem Stress. Unsere Daten sind somit in vollem Einvernehmen mit dem Konzept, dass Proteasominhibitoren als „Gift“ – also als zytotoxische Substanzen - oder „Heilmittel“, welche unterschiedlichste zelluläre Funktionen benefiziell beeinflussen, wirken können. Um diese offensichtlich divergenten zellulären Effekte von Proteasominhibitoren in Einklang zu bringen, lässt sich die Beobachtung von Paracelsus (1493 - 1541) „Alle Dinge sind Gift und nichts ohn Gift, allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist!“ erweitern als nicht nur Dosis- sondern auch Zelltyp- abhängige Wirkung von Proteasominhibitoren: Für einen definierten Zelltyp bestimmt der Grad der Proteasomenhemmung, ob die Zelle stirbt oder vor dem drohenden Zelltod geschützt wird. So führt die gleichzeitige und effektive Hemmung mehrere katalytischer Aktivitäten des Proteasoms zu einem massiv verminderten Proteinumsatz in der Zelle, der - weil nicht mehr kompensierbar - in Apoptose mündet. Demgegenüber könnte eine nur partielle Hemmung der katalytischen Zentren möglicherweise gezielt den Abbau spezifischer Substratgruppen beeinflussen und eine protektive Stress-Antwort auslösen. Diese Hypothese kann als konzeptueller Rahmen für die therapeutische Anwendung von Proteasominhibitoren jenseits der Tumortherapie und insbesondere bei kardiovaskulären Erkrankungen dienen. Der therapeutische Einsatz von Proteasominhibitoren ist dabei jedoch eingeschränkt bei der Behandlung chronischer Erkrankungen. So gibt es eine Reihe von Befunden, die zeigen, dass eine lang anhaltende Einschränkung der proteasomalen Aktivität zur Entwicklung neurodegenerativer und kardiovaskulärer Erkrankungen sowie zu Alterungsprozessen beiträgt. Aus diesem Grund erscheint besonders die kurzzeitige und/oder lokale Anwendung von Proteasominhibitoren Erfolg versprechend, insbesondere die Behandlung von Ischämie/Reperfusionschäden und Restenose. Hier wirken Proteasominhibitoren nicht nur lokal anti-proliferativ und anti-inflammatorisch, sondern auch protektiv und verbessern die endotheliale Funktion im systemischen Kontext.