Background: Fibrosis is a hallmark of many myocardial pathologies and contributes to distorted organ architecture and function. Recent studies have identified premature senescence as regulatory mechanism of tissue fibrosis. However, its relevance in the heart remains to be established.
Objective: To investigate the role of premature senescence in myocardial fibrosis.
Methods: Murine models of cardiac diseases and human heart biopsies were analyzed for characteristics of premature senescence and fibrosis. Loss-of-function and gain-of-function models of premature senescence were used to determine its pathophysiological role in myocardial fibrosis.
Results: Senescence markers p21 CIP1/WAF1, senescence-associated ß-galactosidase (SA-ß-gal) and p16 INK4a were increased 2-, 8- and 20-fold (n=5-7; P < 0.01), respectively, in perivascular fibrotic areas after transverse aortic constriction (TAC) when compared to sham-treated controls. Similar results were observed with cardiomyocyte-specific β1-adrenoceptor transgenic mice and human heart biopsies. Senescent cells were positive for platelet-derived growth factor receptor α (92.5 ± 1.8%), vimentin (92.1 ± 1.5%), and α-smooth muscle actin (65.2 ± 10.5%), specifying myofibroblasts as the predominant cell population undergoing premature senescence in the heart. Inactivation of the premature senescence program by genetic ablation of p53 and p16 INK4a (Trp53 -/- Cdkn2a -/- mice) resulted in aggravated fibrosis after TAC when compared to wild-type controls (49 ± 4.9% vs. 33 ± 2.7%, P < 0.01), and was associated with impaired cardiac function. Conversely, cardiac-specific expression of CCN1 (Cyr61), a potent inducer of premature senescence, by adeno-associated virus serotype 9 gene transfer, resulted in ~ 50% reduction of perivascular fibrosis after TAC when compared to mock- or dominant-negative CCN1-infected controls (11.9 ± 1.4% vs. 22.4±4.0% and 22.1±1.8%, respectively; P < 0.01), and improved cardiac function.
Conclusions: Our data establish premature senescence of myofibroblasts as essential anti-fibrotic mechanism and potential therapeutic target in myocardial fibrosis.
Übersetzte Kurzfassung:
Zusammenfassung: Fibrose ist ein Kennzeichen vieler myokardialer Pathologien und trägt maßgeblich zur verschlechterten Organarchitektur und verminderten Herzfunktion bei. Neuere Studien identifizierten zelluläre Seneszenz als neuartigen regulatorischen Mechanismus von Organfibrose. Die Relevanz dieser Befunde im Herzen ist jedoch unklar.
Ziel: Die Untersuchung vorzeitiger Zellseneszenz innerhalb der Herzfibrose.
Methoden: Verschiedene Mausmodelle und humane Herzbiopsien wurden analysiert und hinsichtlich frühzeitiger Zellseneszenz und Herzfibrose untersucht. „Loss-of-function“ und „Gain-of-function“ Seneszenz-Modelle wurden herangezogen, um die pathophysiologische Relevanz in der myokardialen Fibrose zu ermitteln.
Ergebnisse: Die Seneszenzmarker p21 CIP1/WAF1, seneszenz-assoziierte-ß-Galaktosidase (SA-ß-gal) und p16 INK4a waren jeweils 2-, 8- und 20- fach (n=5-7; P < 0.01) in perivaskulären, fibrotischen Bereichen nach TAC verglichen zu Sham behandelten Kontrollen erhöht. Ähnliche Resultate wurden in einem weiteren Fibrosemodell, in transgenen Mäusen mit kardiomyozytenspezifischer Überexpression des ß1-adrenergen Rezeptors, sowie in humanen pathologischen Herzbiopsien beobachtet. Seneszente Zellen waren ebenso positiv für den Fibroblastenmarker „platelet-derived growth factor receptor α” (92.5 ± 1.8%), den mesenchymalen Marker Vimentin (92.1 ± 1.5%), und den Myofibroblastenmarker „α-smooth muscle actin” (65.2 ± 10.5%), was Myofibroblasten als seneszente Zellpoulation spezifizierte. Eine Inaktivierung des Seneszensprogrammes mithilfe genetischer Depletion von p53 und p16 INK4a (Trp53 -/- Cdkn2a -/- Mäuse) resultierte in erhöhter Fibrose verglichen zu den Kontrolltieren nach TAC (49 ± 4.9% vs. 33 ± 2.7%, P < 0.01), was mit einer verschlechterten Herzfunktion einherging. Dagegen führte eine herzspezifische AAV9-vermittelte Überexpression des potenten Seneszenzinduktors CCN1 (Cyr61) zu einer 50 %igen Reduktion perivaskulärer Fibrose verglichen zu den Mock behandelten Tieren oder Mäusen, die mit dominant-negativen CCN1 infiziert wurden (jeweils 11.9 ± 1.4% vs. 22.4±4.0% and 22.1±1.8%, P < 0.01). Dies wiederum hatte eine verbesserte Herzfunktion zur Folge.
Schlussfolgerung: Unsere Daten etablieren vorzeitige Zellseneszenz von Myofibroblasten als essentiellen antifibrotischen Mechanismus und als möglichen therapeutischen Angriffspunkt myokardialer Fibrose.
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