Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTPs) als interventionelle Zielstrukturen der Arteriogenese

Abstract

Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTPs) gelten als gegen-regulatorische Enzymgruppe von Tyrosinkinasen und sind entscheidend an der Phosphotyrosin- abhängigen Signaltransduktion beteiligt. Klassische PTPs bilden dabei eine Gruppe sowohl membranassoziierter als auch zytosolischer Hydrolasen, die sich durch ihre exklusive Phosphotyrosin-Substratspezifität auszeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurden PTPs als potentiell therapeutische Zielstrukturen zur Beeinflussung der Kollateralisierung (Arteriogenese) untersucht. Durch die Proliferation präexistenter Gefäße und konsekutive Gefäßdurchmesserzunahme ist die Arteriogenese in der Lage, der durch eine stenotische Erkrankung hervorgerufene Minderversorgung entgegenzuwirken. In zwei funktionellen Tiermodellen, der Maus und der Ratte, wurde durch operative Modifikation der Blutflussdynamik (Karotisligatur (CCAO) bzw. 3 Gefäßverschluss (3 VO)) zerebrales Kollateralwachstum induziert. In einem konventionellen knockout der Maus bzw. durch pharmakologische Behandlung in der Ratte wurde anschließend die Bedeutung von PTPs für die Arteriogenese untersucht. Mäuse mit einem knockout der PTP Density-Enhanced Phosphatase (DEP) 1 zeigten im Vergleich zu Kontrolltieren nach Arteriogenese-induzierender CCAO-Operation eine signifikant reduzierte zerebrovaskuläre Reservekapazität (CVRC). Demgegenüber war eine morphologische Zunahme der Durchmesser zerebraler Gefäße in DEP 1 knockout-Tieren nicht nachweisbar. Genexpressionsanalysen in arteriellem Zielgewebe (Arteria cerebri anterior, ACA) zeigten eine signifikante Abnahme von Platelet-Derived Growth Factor (PDGF) B Transkripten in DEP 1 knockout Mäusen. In vitro-Experimente bestätigten eine transkriptionelle Abnahme von PDGF-B nach einem knockdown von DEP 1 in kultivierten Endothelzellen. Die Analyse eines potentiellen Effektes auf das periphere Kollateralwachstum konnte beim Vergleich von Wildtyp- und DEP-1 knockout-Mäusen nicht festgestellt werden. Die Bedeutung einer pharmakologischen pan PTP Inhibierung und die spezifische Hemmung der PTPs Src homology 2 domain tyrosine phosphatase (SHP) 1 und PTP1B erfolgte im 3-VO Modell der Ratte. Die Inhibierung der pan PTP- und PTP1B Aktivität führte, insbesondere in der posterioren Zerebralarterie (PCA), zu einer gesteigerten Gefäßproliferation und signifikant erhöhten Gefäßdurchmesserzunahme. Die PTP1B Inhibierung resultierte zudem in einer funktionell verbesserten CVRC. Die pan PTP- und die PTP1B Hemmung führten zusätzlich zu einer Hyperphosphorylierung des PDGF β Rezeptors. Zusammenfassend konnten die hier erarbeiteten Daten erstmals eine generelle Relevanz von PTPs beim Kollateralwachstum zeigen. Insbesondere PTP1B wurde dabei als negativer Regulator und potentielle therapeutische Zielstruktur zur vorteilhaften Beeinflussung der Arteriogenese identifiziert.

Protein tyrosine phosphatases (PTPs) are considered as a primarily opposing enzyme group to tyrosine kinases and are therefore in particular antagonizing intracellular phosphotyrosine dependent signaling events. The group of classical PTPs is composed of membrane associated as well as cytosolic enzymes with a solely phosphotyrosine substrate specificity. Here we analyzed the impact of PTP inhibition on collateral growth (arteriogenesis). By the proliferation of pre-existing arterioles, arteriogenesis as a vascular remodeling process is leading to the development of fully functional arterial vessels to overcome ischemic related circulatory deficits. In the present work, we therefore determined the potential of PTPs as pharmacological targets to therapeutically enhance collateral growth - arteriogenesis. Using two animal models of cerebral hypoperfusion in mice (permanent occlusion of the common carotid artery (CCAO)) and rats (three-vessel-occlusion (3-VO)), cerebral collateral growth was evaluated. Based on these models of induced arteriogenesis the relevance of individual PTPs was examined via conventional PTP knockout or pharmacological intervention. In mice deficient for the receptor like PTP density-enhanced phosphatase (DEP)-1, a significantly reduced cerebrovascular reserve capacity (CVRC) was detected compared to wild- type animals. However, morphological changes, assessed by measuring the cerebral vessel diameters, were not detected. Gene expression analysis in target tissues (Arteria cerebri anterior, ACA) revealed a significant reduction in platelet-derived growth factor (PDGF)-B transcripts in DEP-1 knockout mice compared to wild-type animals. Additionally, in vitro experiments in cultured endothelial cells confirmed reduced PDGF-B expression after DEP-1 knockdown. Examining a peripheral vascular effect after femoral artery ligation did not show significant alterations comparing knockout and wild-type mice. Pan PTP inhibition and specific inhibition of Src homology 2 domain tyrosine phosphatase SHP-1 and PTP1B was performed in a 3 VO model in rats. Inhibition of both pan PTP- and PTP1B activity resulted in significantly elevated cerebrovascular diameter gain, particularly in the posterior cerebral artery (PCA). PTP1B inhibition furthermore led to improved CVRC. Under pan- PTP- and PTP1B-inhibition a hyperphosphorylation of the PDGF β-receptor was detected. Our analysis did not reveal a significant impact of SHP 1 in cerebral collateral growth. Taken together, our data point towards a to date unrecognized relevance of PTPs during the vascular remodeling process of arteriogeneis. Especially PTP1B was identified as a negative regulator and potential therapeutical target in pharmacological induced arteriogenesis.