The Protective Role of PPARgamma in Pulmonary Arterial Hypertension

Abstract

We report on a novel antiproliferative mechanism downstream of the bone morphogenetic protein receptor II (BMP-RII) that requires activation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma) and its transcriptional target apolipoprotein E (apoE). BMP-2/BMP-RII signaling prevented PDGF-BB-induced proliferation of human and murine pulmonary artery smooth muscle cells (PASMC), by decreasing nuclear phosphoERK and inducing DNA-binding of PPARgamma that is independent of Smad1/5/8 phosphorylation. Both BMP-2 and a PPARgamma agonist stimulated production and secretion of apoE in SMC. Using shRNAi in human PASMC, PASMC from a PAH patient with a BMP-RII mutation, a PPARgamma antagonist, and PASMC isolated from PPARgamma and apoE deficient mice, we showed that the antiproliferative effect of BMP-2 is BMP- RII-, PPARgamma- and apoE-dependent. Mice with targeted deletion of PPARgamma in SMC spontaneously developed PAH, RV hypertrophy (RVH) and increased muscularization of distal PAs. Thus, PPARgamma-mediated events protect against PAH, and PPARgamma agonists (e.g., pioglitazone, rosiglitazone) may reverse PAH in patients with or without BMP-RII dysfunction. Patients with PAH have reduced expression of apoE and PPARgamma in lung tissues, and deficiency of both has been linked to insulin resistance (IR). ApoE deficiency leads to enhanced PDGF signaling that is important in the pathobiology of PAH. We therefore hypothesized that insulin resistant apoE deficient mice (apoE -/-) would develop PAH. ApoE -/- mice on a high fat diet develop PAH as indicated by elevated RV systolic pressure. When compared to females of the same genotype, male apoE -/- were insulin-resistant, had lower plasma adiponectin, and a more pronounced PAH phenotype. Treatment of male apoE -/- mice with rosiglitazone PO for 4 weeks resulted in 8-fold higher plasma adiponectin levels, improved insulin sensitivity, and complete regression of PAH, RVH and abnormal PA muscularization. Recombinant apoE and adiponectin suppressed PDGF- BB-induced proliferation of apoE -/- and wildtype PASMC. Insulin resistance (IR), low plasma adiponectin levels, and deficiency of apoE may be risk factors for PAH, and that PPARgamma activation can reverse PAH in an animal model. Hence, PPARgamma agonists could be considered for the treatment of PAH patients, particularly those with documented IR. We investigated the prevalence of IR in PAH and explored its relationship to disease severity. Clinical data and fasting blood samples were evaluated in 81 non-diabetic women with PAH. National Health and Nutrition Examination Surveys (NHANES) females (n=967) served as controls. Fasting triglyceride to high-density lipoprotein cholesterol ratio (TG/HDL-C) was used as a surrogate of insulin sensitivity. While body-mass-index (BMI) was similar in PAH and NHANES females, PAH females were more likely to be insulin resistant (IR 45.7% vs. 21.5%) and less likely to be insulin sensitive (IS 43.2% vs. 57.8%, p<0.0001). Etiology, NYHA class, 6-minute walk distance, and hemodynamics did not differ between IR and IS PAH groups. However, the presence of IR and a higher NYHA class were associated with poorer combined 6-months event-free survival from death, transplantation, or acute hospitalization due to PAH exacerbation or right heart failure (58% vs. 79%, p<0.05; HR 2.57, 95% CI 1.03-6.06, p<0.05; adjusted for age and BMI). In conclusion, insulin resistance appears to be more common in PAH females than in the general population, and may be a novel risk factor or disease modifier which might impact survival.

Nachweis eines neuen antiproliferativen Signalwegs downstream von BMP-2/BMP- RII, der die Aktivierung des Transkriptionsfaktors PPARgamma und seines Zielgens Apolipoprotein E (APOE) erfordert: Aktivierung des BMP-2/BMP-RII Signalweg verhinderte die PDGF-BB-induzierte Proliferation von pulmonarteriellen glatten Muskelzellen (PASMC), indem - unabhängig von phospho SMAD 1/5/8 - phospoERK im Zellkern erniedrigt und die DNA-Bindung von PPARgamma induziert wird. Sowohl BMP-2 als auch ein PPARgamma agonist stimulierten die Expression und Sekretion von apoE-Protein in PASMC. Mit Hilfe von shRNAi in humanen PASMC, PASMC eines PAH Patienten mit BMP-RII Mutation, einem PPARgamma-Antagonisten, und PASMC von PPARgamma- bzw. ApoE-defizienten Mäusen, konnten wir zeigen, dass der antiproliferative Effekt von BMP-2 abhängig ist von BMP-RII, PPARgamma and apoE. Mäuse mit gezielter Ausschaltung von PPARgamma in arteriellen glatten Muskelzellen entwickelten spontan PAH, RV-Hypertrophie, und eine verstärkte Muskularisierung der kleinen, peripheren Pulmonalarterien. Demzufolge schützen PPARgamma-vermittelte Ereignisse gegen PAH, und PPARgamma-Agonisten (Pioglitazon, Rosiglitazon) haben das Potential, eine Regression der Pulmonalvaskulären Erkrankung bei PAH Patienten mit oder ohne BMP-RII-Dysfunktion herbeizuführen. Patienten mit PAH zeigen eine verminderte pulmonale Expression von ApoE und PPARgamma, und der Mangel an diesen beiden Faktoren ist mit Insulinresistenz (IR) in Verbindung gebracht worden. ApoE-Mangel führt zur Verstärkung des PDGF-Signalwegs, der bei Pathophysiologie der PAH ein grosse Rolle spielt. ApoE -/- Mäuse, die auf fettreiche Diät gesetzt wurden, entwickelten erhöhte rechtsventrikuläre Drücke (RVSP) als Zeichen einer PAH. Im Vergleich mit den Weibchen waren die männlichen ApoE -/- Mäuse insulinresistent, hatten niedrigere Plasma- Adiponektinspiegel, und einen ausgeprägteren PAH-Phenotyp. Die orale Behandlung der männlichen ApoE -/- Mäusen mit Rosiglitazon für 4 Wochen resultierte in einer 8-fach erhöhten Plasma-Adiponektinkonzentration, verbesserter Insulinsensitivität, und vollständiger Regression von PAH, RVH und abnormaler PA-Muskularizierung. Rekombinantes ApoE und Adiponektin supprimierten die PDGF-BB-induzierte Proliferation von apoE -/- und Kontroll- PASMC. Wir zeigen, dass niedrige Adiponektinspiegel und ApoE-Mangel neue Risikofaktoren sein könnten, und dass PPARgamma-Aktivierung zur Regression der PAH in einem Tiermodell führt. Daher sollten PPARgamma-Agonisten für die Behandlung von Patienten mit PAH in Erwägung gezogen werden – v.a. bei solchen mit nachgewiesener IR. Klinische Daten und Blutproben wurden von 81 nicht- diabetischen Frauen mit PAH gewonnen. Eine Kohorte von Frauen, deren Daten über eine grosse US-amerikanischen Datenbank (NHANES; n=967) zugänglich waren, diente als Kontrolle. Das Verhältnis Nüchtern-Triglyzerid-zu-HDL-Cholesterol wurde als Indikator der Insulinsensitivität bestimmt. Obwohl der BMI bei PAH- und NHANES-Frauen ähnlich war, waren die PAH- Frauen häufiger insulin- resistent (IR 45.7% vs. 21.5%) und seltener insulinsensitiv als NHANES-FRauen (IS 43.2% vs. 57.8%, p<0.0001). Eine höhere NYHA-Klasse und das Vorliegen einer IR war mit einer schlechteren Prognose hinsichtlich des 6-Monats- Überlebensrate ohne Tod, Transplantation oder akute stationärer Krankenhausaufnahme wegen PAH-Exazerbation oder Rechstherzversagen assoziiert (58% vs. 79%, p<0.05). Zusammengefasst ist eine Insulinresistenz bei Patientinnen mit PAH häufger als in der Normalbevölkerung und stellt wahrscheinlich einen neuen Riskofaktor oder Krankheitsmodulator dar, welcher Einfluss auf die Überlebensrate haben könnte.