Fibrillin-1 and elastin fragmentation in the pathogenesis of thoracic aortic aneurysm in Marfan syndrome

Abstract

Marfan syndrome (MFS) is an autosomal dominant connective tissue disorder that predominantly affects the skeletal, cardiovascular, and ocular systems. The primary cause of premature death in untreated patients is related to thoracic aortic aneurysms and dissections (TAA). MFS is caused by mutations in the gene for fibrillin-1, FBN1, and multiple factors such as halpoinsufficiency, fibrillin-1 proteolysis, abnormal TGF-ß signaling, increased matrix metalloproteinase (MMP) expression, and changes in cell-matrix interaction contribute to the complex pathogeneisis of this disorder. In the initial part of this study, we investigated whether recombinant fibrillin-1 polypeptides and aortic extracts from a fibrillin-1 underexpressing mouse model (mgR/mgR) and human Marfan patients can stimulate macrophage chemotaxis. Recombinant fibrillin-1 fragments containing a GxxPG motif and the corresponding synthetic peptides could induce macrophage migration mediated by elastin binding protein (EBP). Both aortic extrtacts from the mgR/mgR mice as well as aortic extracts from Marfan patients significantly increased macrophage chemotaxis compared with extracts from wild type mice and healthy controls. Because of the fact that the chemotaxis inductive effect of Marfan aortic extracts could be inhibited by pretreatment of the cells with lactose or pretreatment of the samples with monoclonal anti-elastin antibody (BA4), we infer that the induction of chemotaxis of Marfan aortic extracts is at least partially associated with EBP. Additionally, aortic extracts from patients with MFS showed a statistically significant increase in reactivity to BA4 in ELISA. BA4 recognizes GxxPG containing peptides or fragments which are ligands of EBP. We additionally performed a therapeutic study on the mgR/mgR mice to test the effects of treatment with BA4 in an attempt to antagonize the secondary deleterious effects of elastin and fibrillin fragmentation. We investigated whether a monoclonal anti-elastin antibody (BA4) or treatment with the anti- inflammatory medication indomethacin could decrease the development of TAA in the mgR/mgR mice. Both treatments were started at 3 weeks of age and continued for 8 weeks. The mgR/mgR mice received BA4 through intraperitoneal injection once a week. In a separate group, indomethacin was added to drinking water continuously for 8 weeks. Here we show that both BA4 and indomethacin treatment significantly improves elastin integrity in the aortic wall of mgR/mgR mice. Treatment with BA4 significantly decreased MMP-2, MMP-9, MMP-12 expression and pSMAD2 activity. Compared to the untreated group, there were significantly less macrophages in the aortic adventitia after BA4 treatment. Indomethacin treatment led to similar results. The results of this study further confirm the hypothesis that abnormal secondary cellular events caused by GxxPG containing fragments contribute to the development of TAA in MFS. Chemotactic activity observed in Marfan aortic extracts and efficient anti- inflammatory treatment suggest an important role of matrix-fragment induced inflammatory activity in the aortic wall in the pathogenesis of TAA. Furthermore, this study might provide new impact on therapeutic approaches and could contribute to new strategies for the long-term management of aortic aneurysm in MFS.

Das Marfan-Syndrom (MFS) ist eine relativ häufige autosomal dominant vererbte Störung des Bindegewebes mit zahlreichen Symptomen im Skelettsystem, am Auge, und im Herzkreislaufsystem. Die Haupttodesursache bei unbehandelten Patienten ist die akute Dissektion der aufsteigenden Aorta (TAA), das in der Regel nach einer jahrelangen, langsam fortschreitenden Erweiterung der aufsteigenden Aorta auftritt. Das MFS wird durch Mutationen im Gen für Fibrillin-1, FBN1, verursacht, und mehrere Faktoren wie Halpoinsuffizienz, Fibrillin-1 Proteolyse, abnormale TGF-ß Aktivität, Erhöhung der Expression von Matrixmetalloproteinase (MMP) und Veränderungen in der Zell-Matrix-Interaktion können zur Pathogenese des MFS beitragen. Im ersten Teil dieser Studie untersuchten wir, ob rekombinante Fibrillin-1-Polypeptide und Aortenextrakte aus einem Fibrillin-1-hypomorphen Mausmodell (mgR/mgR) und Marfan Patienten die Makrophagenchemotaxis stimulieren können. Rekombinante Fibrillin-1-Fragmente mit einem GxxPG (Glyzin-X-X-Prolin-Glyzin) Motiv und den entsprechenden synthetischen Peptiden konnten die Migration von Makrophagen durch Interaktion mit dem Elastin-bindendes-Protein (EBP) stimulieren. Sowohl die mgR/mgR-Aortenextrakte als auch die Aortenextrakte von MFS-Patienten erhöhten signifikant die Makrophagenchemotaxis im Vergleich zum Extrakten ausWildtyp-Mäusen und gesunde Kontrollen. Aufgrund der Tatsache, dass die chemotaktische Aktivität von MFSAortenextrakten durch Vorbehandlung der Makrophagen mit Laktose (EBP-Hemmung) bzw. durch den monoklonalen Anti- Elastin-Antikörper (BA4) signifikant gehemmt werden, schliessen wir, dass die durch MFS-Aortenextrakte stimulierte Makrophagenchemotaxis zumindest teilweise durch das EBP vermittelt ist. Darüber hinaus zeigten Aortenextrakte von MFS- Patienten eine statistisch signifikante Zunahme der BA4-Reaktivität im ELISA. BA4 erkennt GxxPG Peptide oder Fragmente, die EBP-Liganden sind. Zusätzlich führten wir eine Therapiestudie an mgR/mgR Mäusen durch, um die Wirkungen einer gezielten Blockade der sekundären schädlichen Auswirkung von Elastin und Fibrillin-1 Fragmente durch Behandlung mit BA4 zu prüfen. Wir untersuchten, ob Antikörper BA4 oder antiinflammatorische Therapie mit dem Medikament Indomethacin die Entstehung der Aortendissektion in dem Fibrillin-1-hypomorphen Mausmodell (mgR/mgR) reduzieren konnte. Beide Behandlungen begannen in der dritten Lebenswoche und dauerten 8 Wochen. Die mgR/mgR Mäuse erhielten BA4 durch intraperitoneale Injektion einmal proWoche. In einer separaten Gruppe wurde Indomethacin im Trinkwasser kontinuierlich für 8 Wochen verabreicht. Wir könnten zeigen, dass die Behandlung mit BA4 sowie durch Indomethacin die Elastinintegrität in Aortenwand in mgR/mgR Mäusen signifikant verbesserten. Die BA4 Behandlung verminderte signifikant die MMP-2, MMP-9, MMP-12 Expression und pSMAD2 Aktivität. Im Vergleich zu der unbehandelten Gruppe gab es signifikant weniger Makrophagen in der Aortenadventitia nach BA4 Behandlung. Indomethacin-Behandlung führte zu ähnlichen Ergebnissen. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen die Hypothese, dass GxxPG-Fragmente abnormale sekundäre zelluläre Reaktionen hervorrufen und somit zur Entwicklung von TAA in MFS beitragen können. Die chemotaktische Aktivität bei Marfan Aortenextrakten und die Effizienz der Antiinflammatorische Therapie zeigen eine wichtige Rolle der durch Matrix- Fragment stimulierte entzündliche Aktivität in der Aortenwand bei der Pathogenese des TAA in MFS. Darüber hinaus zeigt diese Studie potentiell neue therapeutische Optionen auf.