Moleculaire en cellulaire mechanismen van hart-‐ en

Vereniging van Ingenieurs in Zuid-Limburg, Heerlen (2013)
Moleculaire en cellulaire mechanismen van hart-­‐ en vaatziekten
Rory R. Koenen
Cardiovascular Research Institute Maastricht (CARIM)
Maastricht University, The Netherlands
Inhoudsopgave -­‐  Hart-­‐ en vaatziekten -­‐  Atherosclerose -­‐  Ontstekingsziekten -­‐  Signaalstoffen -­‐  Infiltra>e -­‐  Taal van de cellen -­‐  Chemokine systeem als therapeu>sch doel -­‐  Chemokines RANTES en Plaatjesfactor 4 in de Atherosclerose -­‐  Afslui>ng „Hart-­‐ en vaatziekten“ Aandoeningen van het hart en de bloedvaten Har>nfarct Herseninfarct (beroerte – apoplexie) Perifere arteriële vaatlijden (suikerziekte) Harts>lstand Hoge bloeddruk Har>nsufficien>e Veneuze trombose / embolie „Hart-­‐ en vaatziekten“ Aandoeningen van het hart en de bloedvaten In Nederland (bron CBS): In 2011 -­‐ 38 132 van de 135 741 sterfgevallen (28%). Daarmee op de 2de plek na kanker (32%) Wereldwijd (bron WHO): In 2008 -­‐ 17.3 miljoen (30%). Daarvan 7.3 miljoen door hartaandoeningen en 6.2 miljoen door beroerte. De trend is s>jgend (door overgewicht en diabetes). Wereldwijd op de 1ste plek. „Hart-­‐ en vaatziekten“ Har>nfarct Wordt veroorzaakt door een afslui>ng van een van de kransslagaders. Daardoor kan een deel van de hartspier niet meer met bloed worden voorzien. Mortaliteit na 30 dagen (2000) is rond 20%. „Hart-­‐ en vaatziekten“ Har>nfarct Na een eerste har>nfarct krijgt rond 20% van de pa>ënten binnen 3 jaar een 2de. Ongeveer 5% van alle pa>ënten is na deze 3 jaar overleden. Stone et al., NEJM (2011) Atherosclerose -­‐ Aderverkalking Waarom krijgen we atherosclerose? ongeveer 10 miljoen jaar (99%) ong. 100.000 jaar (1%) Atherosclerose -­‐ Aderverkalking Atherosclerose – Aderverkalking: -­‐  is een ontstekingsziekte of ook auto-­‐immuunziekte -­‐  door dras>sche veranderingen in levenss>jl -­‐  gecombineerd met minimale veranderingen in ons organisme -­‐  maar ook aanleg is een niet te onderschafe factor Atherosclerose -­‐ Aderverkalking Ross, NEJM (1999) Ontstekingsziekten JLU Würzburg „ontstekingsziekten“ Lat. Inflamma&o = ontsteking Dolor – pijn Calor – warmte Rubor – roodheid Tumor – zwelling „Func&o laesa“ – verlies van func>e (Virchow) Celsus ~50 v. Chr „ontstekingsziekten“ Lat. Inflamma&o = ontsteking Dolor – pijn Calor – warmte Rubor – roodheid Tumor – zwelling „Func&o laesa“ – verlies van func>e wintertenen „ontstekingsziekten“ Lat. Inflamma&o = ontsteking wintertenen Hyperemie – verhoogde doorbloeding Exudaat – ophopen van weefselvloeistof Infiltra>e – immigra>e van wife bloedcellen Prolifera>e – vermenigvuldiging van bepaalde cellen „Exudaat“ geneeskunde = ophopen van weefselvloeistof Endotheelcellen in de vaatwand onder normale condi>es McDonald et al. Microcircula>on 1999 „Exudaat“ Endotheelcellen in de vaatwand onder onstekingscondi>es McDonald et al. Microcircula>on 1999 „Infiltra>e“ Medizin = immigra>e / instroom van cellen „Infiltra>e“ Hoe weten de leukocyten waar ze heen moeten? „signaalstoffen“ Cellen communiceren m.b.v. signaalstoffen met elkaar. Cytokines Gr. cyto – cel en kinos – beweging Beste voorbeelden: Interleukine 1 Tumour Necrosis Factor α Interferon γ „signaalstoffen“ Cellen communiceren m.b.v. signaalstoffen met elkaar. Vereenvoudigde aneelding „Chemokines“ Chemotac>sche cytokines kleine gespecialiseerde cytokines, die een belangrijke rol in de coördina>e van de bewegingen van leukocyten spelen ~ 50 chemokines ~ 20 receptoren CC-­‐, CXC-­‐,CX3C-­‐ en C-­‐ chemokine-­‐subgroepen Snelle ac>es „Chemokines“ „communica>e systeem“
tussen cellen Antal Rot Taal: „Chemochinees“ Rot & von Andrian, Ann. Rev. Immunol. 2004 Rijping van de celtaal met de ontwikkeling Taalverschillen tussen celtypes Lymphocyten CCR1 CCR5 CCR7 CXCR3 CXCR4 Monocyten CCR1 CCR2 CCR5 CX3CR1 Neutrofielen CXCR2 CXCR1 CXCR4 CCR1 CCR3 „Chemokines“ Chemokines hebben een zeer gespecialiseerde structuur De bouwelementen van de chemokines (monomeren) lijken allemaal heel erg op elkaar. RANTES / CCL5 CC-­‐chemokines Interleukin – 8 / CXCL8 CXC-­‐chemokines „Chemokines“ De chemokines vormen hogere structuren „oligomeren“ RANTES / CCL5 CC-­‐chemokines Interleukin – 8 / CXCL8 CXC-­‐chemokines Chemokines hebben gespecialiseerde domeinen, die essen>eel voor hun func>oneren zijn + + + + + + Glycosaminoglycanen (GAGs) Koenen & Weber, Nat. Rev. Drug. Discov. 2010
„Infiltra>e“ Hoe passen de chemokines in dit voorbeeld? „Infiltra>on“ De chemokines worden op de endotheelcellen gepresenteerd „Infiltra>on“ De leukocyten „lezen“ de endotheelcellen uit
Cel adhesie Stroomrich>ng Transmigra>e van cellen Stroomrich>ng Terug naar de taal Lymphocyten CCR1 CCR5 CCR7 CXCR3 CXCR4 Monocyten CCR1 CCR2 CCR5 CX3CR1 Neutrofielen CXCR2 CXCR1 CXCR4 CCR1 CCR3 Hoe zou een boodschap door een chemokine overgedragen kunnen worden? Glycosaminoglycanen Glycosaminoglycanen Onder gezonde omstandigheden Bloedstroom GAGs Endotheelcellen Glycosaminoglycanen Onder onstekings-­‐omstandigheden GAGs Endotheelcellen Glycosaminoglycanen GAGs Endotheelcellen Chemokines GAGs Endothelzellen Hoe kan het chemokinesysteem gemanipuleerd worden om de onstekingsreac>e te beïnvloeden? Het chemokine systeem en ziekten van de mens Horuk, Nat. Rev. Drug. Discov. 2009
Het chemokine systeem als therapeu>sch doelwit Horuk, Nat. Rev. Drug. Discov. 2009
Klein-­‐molekulaire antagonisten -­‐  CCR5 remmer TAK-­‐779 remt M-­‐trofe (CCR5-­‐gebruikende) HIV stammen Baba et al. PNAS 1999, Dragic et al. PNAS 2000 Klein-­‐molekulaire antagonisten (HIV) TAK-­‐779 (CCR5): slechte orale vervoegbaarheid Sch-­‐C (CCR5): hartritmestoringen (HRS) Sch-­‐D/vicriviroc: slechte werki ng 873140/aplaviroc: levertoxiciteit UK-­‐427857/maraviroc: toegelaten als geneesmiddel tegen HIV, HRS AMD3100 (CXCR4): slechte orale vervoegbaarheid, HRS Zijn er nog andere mogelijkheden om het chemokine systeem te beïnvloeden? „chemokine-­‐oligomerisering“ RANTES / CCL5 CC-­‐chemokines Interleukin – 8 / CXCL8 CXC-­‐chemokines „chemokine-­‐oligomerisering“ chemokine-­‐monomeren dimeren „chemokine-­‐oligomerisering“ tetrameren oligomeren „chemokine-­‐oligomerisering“ Maar ook... heteromeren Verbreken van de interac>e tussen RANTES en PF4 als mogelijke therapeu>sche aanpak van de atherosclerose. Plaatjesfactor 4 (PF4) heteromeer PF4/RANTES RANTES PF4 verbetert de func>e van RANTES von Hundelshausen et al., Blood, 2005 Structuur eigenschappen van de PF4-­‐RANTES interac>e chemical shiL perturbaOons (ppm) 15N chemical shiL, ppm NMR spectroscopie met geïsoleerd 15N-RANTES en PF4
PF4 D5 E4 R44 E3 E1 E60 D6 RANTES β1 β2 β3 residue number 1H chemical shiL, ppm α Design van een pep>de antagonist RANTES PF4 De peptide antagonist remt het PF4-RANTES complex
Bravo! Goed gedaan! Maar werkt het ook in een levend organisme? Effekten van de peptide-antagonist in muizen
+ P<0.05 Oil-­‐red O+ Fläche Aortenwurzel (%) 25 20 15 10 5 0 MOMA-­‐2+ Fläche (%) MKEY Atherosklerose (ApoE-­‐/-­‐) Mäuse 25 P<0.05 20 15 10 5 0 none CTRL sMKEY MKEY De heteromerisering van chemokines, zoals RANTES en PF4, is een nieuwe dimensie binnen de biologie van deze signaalstoffen. Deze heteromerisering zou een interessant therapeu>sch doelwit voor de behandeling van ontstekingsziekten zijn. Hart-­‐ en vaatziekten zijn wereldwijd een belangrijke oorzaak voor dood en invaliditeit. Het tegengaan van de atherosclerose zou een grote stap voorwaarts in de vermindering van het voorkomen van hart-­‐ en vaatziekten zijn. Many thanks!
Institute for Preventive Cardiology, LMU Munich
Christian Weber
Zhen Zhao
Sabine Winkler
Otilia Postea
Elisa Liehn
Alma Zernecke
Remco Megens
Oliver Söhnlein
Barbara Böhlig
Gitte Zimmer
Diana Wagner
Lusi Saroyan
Philipp von Hundelshausen
Ela Karshovska
Cardiovascular Research Institute Maastricht (CARIM)
Marc van Zandvoort
Tilman Hackeng
Johan Heemskerk
Maria Kokozidou
DFG Forschergruppe FOR809