Phosphodiesterase 10A upregulation contributes to pulmonary arterial hypertension

Abstract

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive disease defined by anelevation of pulmonary vascular resistance due to sustained vessel contractionand enhanced vascular remodeling. The abnormal tone and remodeling in thepulmonary vasculature are believed to be related, at least in part, to thedecrease of cyclic nucleotide levels that are controlled by cyclic nucleotidephosphodiesterases (PDEs).PDEs, of which 11 families have been identified, maintain homeostasis of thesecond messengers by catalyzing the hydrolysis of cAMP and cGMP withdiverse compartmentalization and substrate specificities. Interestingly,increased expression of some PDE isoforms has been observed in PAH andbeneficial effects of PDE5 inhibitors, PDE1 inhibitors and PDE3/4 inhibitorshave been reported in clinical or experimental PAH. The role of PDE7-11 inPAH has not been investigated, thus we aimed to investigate the expressionprofile of those higher isoforms. In addition, we were interested in thecontribution of these enzymes to the pathophysiology of PAH using the wellestablishedmonocrotaline (MCT)-induced pulmonary hypertensive rat model.In this study, a prominent increase of PDE10A expression was observedamong the multiple newly identified PDEs (PDE7-11) which are all present inlung tissue. Interestingly, the upregulation of PDE10A is specific in thepulmonary vasculature of pulmonary hypertensive subjects without significantchanges in the systemic vasculature such as aorta or femoral artery.As one of the most recently described PDEs, PDE10A is characterized as acAMP-PDE and a cAMP-inhibited cGMP-PDE. Research on PDE10 is mainlyfocused on neurological studies because of its abundant expression in the brain.We demonstrated for the first time the predominant localization of PDE10A inthe media of the small pulmonary arteries and nuclear compartmentalization inpulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs). In accordance, bothPDE10A expression and cAMP hydrolyzing activity are remarkably increased inPASMCs from MCT-induced PH rats as compared to control rats, suggesting acontribution of PDE10A to the proliferative phenotype of PASMCs in theprocess of PH. Futher more, PDE10A immunoreactivity is strongly increased inpulmonary arteries of IPAH patient lung sections as compared to the donors,indicating clinical relevance of the findings obtained from the MCT model.The anti-proliferative effect of PDE10 inhibition is proved to be largely relevantto an increase of intracellular cAMP levels that may subsequently alterdownstream signaling events such as phosphorylation of the cAMP responseelement binding protein (CREB). In our investigation, we found that inhibition ofPDE10A by employing a selective inhibitor of PDE10 (papaverine) or PDE10Aspecific small interfering RNA (siRNA) promoted intracellular cAMP generation,induced CREB phosphorylation and attenuated proliferation of PASMCs fromMCT-induced PH rats.Furthermore, treating MCT-PH rats with the PDE10 inhibitor papaverine for 14days by intravenous infusion markedly reduced right ventricular systolicpressure values as well as total pulmonary vascular resistance index, withouteffects on the systemic arterial pressure. In addition, the percentage of fullymuscularized peripheral pulmonary arteries was significantly decreased.Taken together, this study supports a central role of PDE10A in progressivepulmonary vascular remodeling and suggests a novel therapeutic opportunityfor the treatment of pulmonary arterial hypertension. Die pulmonal-arterielle Hypertonie (PAH) ist durch einen zunehmendansteigenden Gefäßwiderstand definiert, welcher durch dauerhafte Kontraktionkleiner Pulmonalarterien und ein verstärktes vaskuläres Remodeling zu einemAnstieg des Blutdrucks im Lungenkreislauf führt. Diese pathologischenVeränderungen der Pulmonalgefäße werden u.a. auf ein geringeresVorhandensein der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP zurück geführt, wasmaßgeblich durch die Aktivität zyklischer Nukleotid- Phosphodiesterasen(PDEs) bestimmt wird.Die Familie der PDEs umfasst derzeit 11 Mitglieder. Sie hydrolysieren cAMPund cGMP zu AMP bzw. GMP und haben durch ihre zelluläre und intrazelluläreVerteilung und Substratspezifität einen bedeutenden Einfluss auf dieHomöostase dieser second messenger. Sowohl in experimenteller PAH alsauch in klinischen PAH-Studien konnte bereits gezeigt werden, dass eineerhöhte Expression bestimmter PDEs vorliegt und dass die Behandlung mitPDE5-, PDE1- und PDE3/4-Inhibitoren gefäßerweiternd wirkt und zudem einenantiproliferativen und antimigrativen Effekt auf vaskuläre Zellen hat. Die Rolleder PDEs 7 bis 11 in PAH ist bisher jedoch noch unzureichend erforscht. Daherwar unser Ziel heraus zu finden, ob Mitglieder dieser PDEs in derPathophysiologie der PAH eine Rolle spielen. Für diese Untersuchungen dienteuns das bereits etablierte experimentelle Modell der Monocrotalin (MCT) -induzierten pulmonalen Hypertonie in der Ratte.Als eine der erst kürzlich beschriebenen PDEs wird die PDE10A als cAMPPDEund als cAMP-inhibierte cGMP-PDE bezeichnet und wird wegen ihresVorkommens im Gehirn hauptsächlich in neurologischen Studien untersucht. Indieser Arbeit konnten wir erstmalig zeigen, dass die PDE10A einevorherrschende Expression in der Media kleiner Pulmonalarterien aufweist undin pulmonal-arteriellen glatten Muskelzellen (PASMCs) überwiegend nukleärlokalisiert ist. Im Vergleich zu Kontroll-PASMCs ist sowohl die Expression alsauch die cAMP-hydrolysierende Aktivität der PDE10A in PASMCs aus MCTinjiziertenRatten deutlich erhöht, was eine Mitwirkung der PDE10A bei derProliferation der PASMCs und dem Fortschreiten der PAH vermuten lässt.Desweiteren ist die PDE10A Immunoreaktivität in pulmonalen Arterien deruntersuchten Lungenbereiche von IPAH Patienten im Vergleich zu denen derSpender stark erhöht, was darauf hinweist, daß eine klinische Relevanz dieserErgebnisse, die vom MCT Modell gezeigt wurden vorliegt.Phosphodiesterase-Inhibitoren führen meist zu einer Erhöhung derintrazellulären cAMP-Konzentration, was im Folgenden Auswirkungen auf denPhosphorylierungsstatus und somit die Aktivität von Transkriptionsfaktoren wieCREB (cAMP response element binding protein) hat. Unsere Untersuchungenzeigten, dass die Hemmung der PDE10A durch Verabreichen des InhibitorsPapaverin oder durch die Verwendung PDE10A-spezifischer kleinereinzelsträngiger RNAs (siRNAs) zu einer gesteigerten intrazellulären cAMPKonzentrationführt, die Phosphorylierung von CREB induziert und dieProliferation von PASMCs aus MCT-injizierten Ratten mit PAH vermindert.Überdies wird die PASMC-Proliferation, verglichen mit der Hemmung weiterercAMP-abbauender PDEs, am meisten durch Inhibition der PDE10A verringert.Die Behandlung von MCT-PH-Ratten mit dem PDE10A Inhibitor Papaverin für14 Tage per intravenöse infusion reduzierte deutlich den systolischen Druckdes rechten Ventrikels ebenso wie den gesamten pulmonal-vaskulärenWiderstand, ohne den systemische Blutdruck zu beeinflussen. Ebenso war derProzentsatz von voll muskularisierten peripheren pulmonalen Arterien deutlichdurch diesen therapeutischen Ansatz gehemmt.Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die PDE10Aeine zentrale Rolle im vaskulären Remodeling-Prozess einnimmt und daher eintherapeutisches Ziel zur Behandlung von pulmonaler Hypertonie darstellenkönnte.Bei der Untersuchung der PDE-Expression im Lungengewebe zeigte sichneben der Expression der PDEs 7 bis 9 und der PDE11 eine deutlich erhöhteExpression der PDE10A. Diese konnte zudem spezifisch in der verdickten undveränderten Gefäßmuskulatur der Pulmonalarterien immunhistochemischlokalisiert werden. In systemischen Gefäßen wie der Aorta oder derFemoralarterie konnten jedoch keine signifikanten Veränderungen in derPDE10A-Expression festgestellt werden.