Die Rolle von PPARγ und glatten Gefäßmuskelzellen bei pulmonal arterieller Hypertonie und Insulinresistenz

Abstract

Die pulmonal arterielle Hypertonie (PAH) ist eine Erkrankung mit hoher Mortalität und bisher unzureichenden Therapiemöglichkeiten. Sie geht mit vaskulären und daraus resultierenden rechtsventrikulären Druck (RVSP)-Änderungen sowie kardialen Umbauprozessen einher. Es gibt Hinweise auf eine Assoziation der PAH zur Insulinresistenz (IR). In dieser Arbeit wurde die Hypothese geprüft, ob die Therapie mit dem PPARγ-Agonisten Pioglitazon (Pio), welcher bereits klinisch als Insulin-Sensitizer eingesetzt wird, vorteilhaft bei der Behandlung der PAH eingesetzt werden könnte. Des Weiteren wurde untersucht, ob ein PPARγ-knockout in glatten Gefäßmuskelzellen eine pulmonale Hypertonie (PH) unter insulinresistenten Bedingungen auslöst. Die PH wurde dazu in Ratten mittels Monocrotalin (MCT)-Injektion induziert. MCT führte zur Ausbildung einer deutlichen PH mit rechtsventrikulären Drücken über 70 mmHg. Die therapeutische Pio-Behandlung reduzierte den RVSP und die Muskularisierung kleiner pulmonaler Gefäße. Zudem reduzierte Pio die MCT-induzierten kardialen Veränderungen, bezüglich Fulton’s Index, Kardiomyozytengröße und BNP- Expression. Die MCT-bedingten Veränderungen, wie gesteigerte Makrophageninfiltration und Osteopontin-Expression, wurden durch Pio ebenfalls reduziert. In einem weiteren Modell in Mäusen wurde die Rolle von PPARγ in glatten Gefäßmuskelzellen (VSMCs) durch einen PPARγ-knockout in VSMCs sowie der Einfluss einer Hochfettdiät (HFD) auf die Entstehung der PH untersucht. Neben metabolischen Veränderungen, wie verringerter Glukosetoleranz und Insulinsensitivität, führte die HFD zu einem Anstieg des RVSP und der Kardiomyozytengröße im rechten Ventrikel sowie Fibrose und Inflammation in der Lunge. Der PPARγ-knockout in VSMCs resultierte ebenfalls in metabolischen Veränderungen, was in vivo und in vitro durch eine reduzierte Insulinsensitivität gekennzeichnet war. Daneben kam es durch den knockout zu erhöhter Muskularisierung kleiner pulmonaler Gefäße sowie kardialen und pulmonal inflammatorischen Veränderungen. Es zeigte sich zudem eine Korrelation zwischen Insulinsensitivität und der Schwere der PH. Pio führte im Mausmodell zu einem Anstieg der Fettmasse und des Adiponektin-Serumspiegels und reduzierte die Makrophageninfiltration sowie fibrotische Veränderungen in der Lunge. Der RVSP und die Glukosehomöostase wurden durch die Pio-Behandlung nicht beeinflusst. Weiterhin wurde die Rolle der Phosphatase DEP-1 im Insulin- Signaling erstmals in einem HFD-Modell mit IR untersucht. In einem therapeutischen Ansatz mit Antisense-Oligonukleotiden gegen DEP-1 konnte in situ die Insulin-induzierte Rekrutierung von DEP-1 zum Insulinrezeptor und dessen Dephosphorylierung durch DEP-1 nachgewiesen werden. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein Einfluss von DEP-1 im Insulin-Signaling gezeigt und DEP 1 als mögliche neue molekulare Zielstruktur zur Behandlung der HFD- induzierten IR identifiziert. Zum anderen konnte ein HFD-induzierter Anstieg des RVSP in Mäusen sowie ein Einfluss von PPARγ in VSMCs auf den Glukosemetabolismus und pulmonal vaskuläres Remodeling sowie ein Zusammenhang zwischen PH und IR gezeigt werden. Pio reduzierte pulmonale Inflammation und Fibrose. In Ratten, nicht jedoch in Mäusen, verringerte Pio zudem den RVSP sowie vaskuläre und kardiale Veränderungen. Die Möglichkeit der PH-Therapie durch eine PPARγ-Aktivierung über Pio wird durch die Daten dieser Arbeit zum Teil unterstützt.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by vascular remodeling and increased right ventricular (RVSP) pressure, resulting in cardiac changes leading to high mortality. Clinical and experimental observations suggest a connection between PAH and insulin resistance (IR). The aim of this project was to test whether the peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) agonist pioglitazone, which is known for its insulin sensitizing effects, could be used to treat PAH. Moreover it was tested whether PPARγ knockout in vascular smooth muscle cells leads to pulmonary hypertension (PH) under insulin resistant conditions. PH was induced via Monocrotalin (MCT)-injection in rats. MCT led to a strong increase of right ventricular pressure above 70 mmHg and therefore PH. In a therapeutic approach, pioglitazone reduced RVSP, pulmonary muscularization of small vessels and cardiac changes like Fulton’s index, cardiomyocyte size and BNP gene expression. Furthermore, pioglitazone reduced MCT induced pulmonary changes, like macrophage invasion and osteopontin gene expression. In an additional model, the influence of PPARγ in vascular smooth muscle cells (VSMCs) was analyzed via knockout of PPARγ in VSMCs in mice, as well as the potential impact of a high fat diet (HFD) on PH development. HFD-feeding led to metabolic changes, including reduced glucose tolerance and insulin sensitivity. HFD-feeding was accompanied by an increase of RVSP and right ventricular cardiomyocyte size as well as pulmonary fibrotic and inflammatory changes. PPARγ-knockout in VSMCs led also to metabolic changes, which was shown in vivo as well as in vitro by reduced insulin sensitivity. Furthermore, PPARγ-knockout animals were characterized by increased pulmonary vascular muscularization as well as cardiac and pulmonary inflammatory changes. Moreover, a correlation was detected between insulin sensitivity and the severity of PH, measured as increase of RVSP. Pioglitazone treatment in mice was accompanied by an increase of fat mass and adiponectin serum levels, while reducing macrophage invasion and fibrosis in lung tissue. RVSP and glucose homeostasis remained unchanged in pioglitazone treated animals. Furthermore, the role of the phosphatase DEP-1 in insulin signaling was examined in an adipositas model with IR. In a therapeutic approach applying antisense oligonucleotides against DEP-1, insulin induced recruitment of DEP-1 to the insulin receptor as well as dephosphorylation of this receptor was detected. In summary, the data have shown a role of DEP-1 in insulin signaling, which identifies DEP-1 as a novel potential therapeutic target to treat HFD-induced IR. Moreover, an HFD-induced increase of RVSP was detected in mice, as well as VSMC PPARγ knockout related changes in glucose metabolism and vascular remodeling. In addition, the mouse model showed a correlation between PH and IR. Pioglitazone treatment led to reduced pulmonary inflammation and fibrosis. In rats, but not in mice, pioglitazone was able to reduce RVSP as well as vascular and cardiac changes. Taken together, these data are partially in support of the idea of PPARγ activated treatment of PH via pioglitazone.