Durotaxis als neuartiger Ansatzpunkt für die Therapie der idiopathischen pulmonalen Fibrose

• Antragsteller: Dr. Ingo Ganzleben
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Pneumologie,Thoraxchirurgie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490745655

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Idiopathische Pulmonale Fibrose (IPF) ist eine unheilbare Erkrankung, die zu einer Vernarbung der Lunge führt. Die Vernarbungen führen zu einem Lungenfunktionsverlust in dessen Folge Patienten häufig binnen weniger Jahre versterben. Die einzigen beiden verfügbaren Medikamente können das Fortschreiten der Erkrankung leider nur verlangsamen aber nicht aufhalten. Ein besseres Verständnis zugrundeliegender Mechanismen ist Grundlage für die Entwicklung effektiverer Therapien. Mechanobiologie ist ein vielversprechendes neues Feld der Fibroseforschung, das untersucht, wie physikalische Eigenschaften der extrazellularen Matrix (ECM) - das die Lunge durchziehende Stützgerüst - zum Fortschreiten der Erkrankung beitragen. Theorie ist, dass erhöhte ECM-Steifigkeit nicht nur das Endergebnis von Vernarbung darstellt, sondern Teil eines aktiven Feedback Loop ist, der das Verhalten der Fibroblasten (ECM- produzierender Zellen) beeinflusst, was zu zunehmender Fibrose führt. Vorangegangene Arbeiten zeigen, dass die pathologisch erhöhte Steifigkeit von IPF-Lungengewebe ECM allein ausreichend ist, um die Differenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten zu induzieren, d.h. zu aktiven Kollagen-produzierenden Fibroblasten, was die Erkrankung verschlechtert. Interessanterweise zeigen fibrotische Lungen eine heterogene räumliche Steifigkeitsverteilung mit Regionen hoher Steifigkeit neben Regionen mit leicht erhöhter oder normaler Steifigkeit. Unsere Hypothese ist, dass fibroblastic foci, Akkumulationen von Kollagen und Fibroblasten mit fokal erhöhter Steifigkeit, den Kristallisationspunkt eines pro-fibrotischen Feed-Forward Cycle darstellen. Eine initiale Lungenverletzung mit fehlregulierten Wundheilung führt zu erhöhter Steifigkeit, welche Fibroblasten entlang des Steifigkeitsgradienten anlockt (Durotaxis). Diese Fibroblasten produzieren dann vermehrt ECM, was die Steifigkeit weiter erhöht und die Fibrose voranschreiten lässt. Fibroblasten erfassen ECM-Steifigkeit über eine „molecular clutch“. Paxillin, ein wichtiger Teil dieser Kupplung, ist entscheidend für die Übertragung von Information über erhöhte Steifigkeit ins Innere der Fibroblasten und wir haben herausgefunden, dass Paxillin wichtig für die Migration von Fibroblasten hin zu Arealen erhöhter Steifigkeit ist. Weiterhin konnten wir die hierfür relevanten molekularen Veränderungen von Paxillin durch Verwendung eines small molecule inhibitor, der die Fibroblastenmigration blockiert, charakterisieren. Darüber hinaus haben wir Hinweise darauf gefunden, dass das Enzym ADATMS14 zentral für die Weiterleitung des Fibroblastenaktivierungsignals in den Zellkern ist. In diesem Kontext erwiesen sich Modifikationen von Microtubuli, wichtigen Strukturfasern, die die Fibroblasten durchziehen, durch das Enzym αTAT1 als wichtig für die Feinjustierung des „mechanosensing“. Schließlich haben wir eine fortschrittliche Imaging Plattform konstruiert, um zum ersten Mal Durotaxis in einem Säugetiermodell in vivo zu visualisieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Conference contribution (poster) to the Annual Meeting of the American Thoracic Society (ATS) 2022; awarded with an abstract scholarship I. Ganzleben, M.-A. Chrysovergi, T.A. Al-Hilal, F. Liu, A. Santos, L.G. Vincent, C. Happe, E. Chaum, C.R. Yates, T.R. Mempel, A.J. Engler, D.J. Tschumperlin, and D. Lagares. Durotaxis in Lung Fibrosis: Transitioning from In Vitro Mechanisms to In Vivo Imaging (abstract). Am J Respir Crit Care Med 2022;205:A5551.
  I. Ganzleben, M.-A. Chrysovergi, T.A. Al-Hilal, F. Liu, A. Santos, L.G. Vincent, C. Happe, E. Chaum, C.R. Yates, T.R. Mempel, A.J. Engler, D.J. Tschumperlin & D. Lagares
  
• Conference contribution (poster) to the Annual Meeting of the American Thoracic Society (ATS) 2024 A. Segal, I. Ganzleben, B. Ortiz Diaz, Y. Yang, D.V. Moutinho Dos Santos, L. Pantano, R.S. Knipe, G. Pronzati, K.E. Black, C. Godbout, P. Seither, F. Herrmann, and B.D. Medoff. Role of the Metallopeptidase ADAMTS14 in Mechanoactivation of Primary Human Lung Fibroblasts (abstract). Am J Respir Crit Care Med 2024;209:A2480.
  A. Segal, I. Ganzleben, B. Ortiz Diaz, Y. Yang, D.V. Moutinho Dos Santos, L. Pantano, R.S. Knipe, G. Pronzati, K.E. Black, C. Godbout, P. Seither, F. Herrmann & B.D. Medoff
  
• Conference contribution (poster) to the Thomas L. Petty Aspen Lung Conference 2024 I. Ganzleben, A. Segal, D. Chow Ming Chia, S.-H. Yun, B. D. Medoff. Role of αTAT1 in the mechanobiology of lung fibrosis
  I. Ganzleben, A. Segal, D. Chow Ming Chia, S.-H. Yun & B. D. Medoff
  
• Mechanobiology and the extracellular matrix in pulmonary fibrosis. IScience, 28(12), 113993
  Ganzleben, Ingo & Medoff, Benjamin D.
  
• Spatial transcriptomics reveals altered communities and drivers of aberrant epithelia and pro-fibrotic fibroblasts in interstitial lung diseases. Cell Genomics, 6(3), 101066.
  Jaiswal, Alok; Kooistra, Tristan; Pokatayev, Vladislav; Bastos, Hélder N.; Santos, Rita F.; Sarraf, Tresa R.; Segerstolpe, Åsa; Lin, Crystal; Amir-Zilberstein, Liat; Twardus, Shaina; Shannon, Kevin; Murphy, Shane P.; Knipe, Rachel; Ganzleben, Ingo K.; Black, Katharine E.; Delorey, Toni M.; Graham, Daniel B.; Hung, Yin P.; Hariri, Lida P.; Deguine, Jacques; Carvalho, Agostinho; Medoff, Benjamin D. & Xavier, Ramnik J.