The role of Microsomal prostaglandin synthase-1 (mPGES-1) and Ephrin B2 in Scleroderma

La sclérodermie (sclérose systémique, ScS) est une maladie auto-immune du tissu conjonctif caractérisée  par  l’épaississement  de  la  peau,  l’apparition  spontanée de lésions cicatricielles, des maladies   des   vaisseaux   sanguins,   divers   degrés   d’inflammation,   en   association   avec   un   système   immunitaire hyperactif. La pathogénèse exacte de cette maladie est inconnue et aucun traitement approprié   n’est   disponible.   La fibrose est un élément distinctif de la maladie de ScS et est considérée   résulter   d’une   incapacité   à   mettre   fin   de   façon   appropriée   à   la   réponse   normale   de   réparation   des   plaies.   L’analyse   histologique   du   stade   initial   de   la   ScS   révèle   une   infiltration   périvasculaire de cellules mononucléaires dans le derme, associée à une synthèse accrue de collagène dans les fibroblastes environnants. Ainsi, la compréhension des moyens de contrôler le stade inflammatoire de la ScS pourrait être bénéfique pour contrôler la progression de la maladie peu après son apparition. La mPGES-1 est une enzyme inductible qui agit en aval de la cyclo- oxygénase (COX) pour catalyser spécifiquement la conversion de la prostaglandine (PG) H2 en PGE2. La mPGES-1  joue  un  rôle  clé  dans  l’inflammation,  la  douleur  et  l’arthrite;;  toutefois,  le   rôle de la mPGES-1 dans les mécanismes de fibrose, spécifiquement en rapport avec la ScS humaine, est inconnu. Mon laboratoire a précédemment montré que les souris à mPGES-1 nulle sont résistantes à la fibrose   cutanée   induite   par   la   bléomycine,   à   l’inflammation,   à   l’épaississement  cutané,  à  la  production  de  collagène  et  à  la  formation  de  myofibroblastes.  Sur  la   base  de  ces  résultats,  j’ai  formulé  l’hypothèse  que  l’inhibition pharmacologique de la mPGES-1 régulera à la baisse la production de médiateurs pro-inflammatoires et pro-fibreux au cours de la maladie   de   ScS.   Afin   d’explorer   le   rôle   de   la   mPGES-1   dans   l’inflammation   et   la   fibrose   associées  à  la  maladie  de  ScS,  j’ai  d’abord  examiné  l’expression  de  la  mPGES-1 dans la peau normale comparativement à des biopsies de peau extraites de patients atteints de ScS. Mes résultats ont montré que la mPGES-1 est nettement élevée dans la peau de patients atteints de ScS en comparaison avec la peau humaine normale. De plus, les niveaux de PGE2 dérivés de la mPGES-1 étaient également significativement plus élevés dans les fibroblastes cutanés isolés de patients  atteints  de  ScS  comparativement  aux  fibroblastes  isolés  de  témoins  sains.  J’ai  également   étudié  l’effet  de  l’inhibition pharmacologique de la mPGES-1  sur  l’expression  de  marqueurs  pro- fibreux.   Mes   études   ont   montré   que   l’expression   de   médiateurs   pro-fibreux clés (α-SMA, endothéline-1, collagène de type 1 et facteur de croissance du tissu conjonctif (FCTC)) est élevée dans les fibroblastes cutanés ScS en comparaison avec les fibroblastes cutanés normaux. Un traitement avec un inhibiteur de la mPGES-1 a eu pour effet de réduire significativement l’expression  de  l’α-SMA,  de  l’endothéline-1, du collagène de type 1 mais pas du FCTC dans les fibroblastes  ScS,  sans  effet  significatif  sur  les  fibroblastes  normaux.  J’ai  en  outre  examiné  l’effet   de  l’inhibition  de  la  mPGES-1 sur des cytokines pro-inflammatoires clés impliquées dans la pathologie de la ScS, incluant IL-6, IL-8 et MCP-1.  L’inhibition  pharmacologique  de  la  mPGES- 1 a eu pour effet de réduire significativement les niveaux de production de cytokines pro- inflammatoires IL6, IL8 et MCP-1 dans les fibroblastes avec lésion ScS comparativement à des fibroblastes non traités. De plus, les patients atteints de ScS ont présenté des niveaux plus élevés de p-AKT, de p-FAK et de p-SMAD3 en comparaison avec les fibroblastes cutanés normaux. L’inhibiteur  de  la  mPGES-1 a pu réguler à la baisse cette expression accrue de p-AKT et de p- FAK, mais pas de p-SMAD3,  dans  les  fibroblastes  ScS.  Ces  résultats  ont  suggéré  que  l’inhibition   de la mPGES-1 pourrait être une méthode viable pour réduire le développement de sclérose cutanée et constituent une cible thérapeutique potentielle pour contrôler les mécanismes fibreux et inflammatoires associés à la pathophysiologie de la maladie de ScS. L’un   des   autres   processus   critiques   reliés   à   l’évolution de la réponse fibreuse associée à la maladie de ScS est la différenciation des fibroblastes en des cellules activées spécialisées iii iv appelées myofibroblastes, responsables de déclencher une signalisation adhésive excessive et le dépôt excessif de matrice extracellulaire,   conduisant   à   la   destruction   de   l’architecture   de   l’organe.   Ainsi,   l’identification   des   facteurs   endogènes   qui   initient/   favorisent   la   différenciation   fibroblaste-myofibroblaste peut mener à des stratégies thérapeutiques prometteuses pour contrôler  l’excès  de  signalisation  adhésive  et  de  fibrose  associé  à  la  maladie  de  ScS.  Des  études   antérieures  dans  le  domaine  de  la  biologie  du  cancer  ont  suggéré  que  l’éphrine  B2,  une  protéine   transmembranaire appartenant à la famille des éphrines, est impliquée dans la signalisation adhésive   et   le   remodelage   extracellulaire.   Cependant,   son   rôle   dans   la   fibrose   n’a   jamais   été   exploré.   Dans   la   deuxième   partie   de   mon   étude,   j’ai   donc   étudié   le   rôle   de   l’éphrine   B2   dans   la   fibrose.   Mes   études   montrent   que   l’expression   de   l’éphrine   B2   est   significativement   augmentée   dans la peau humaine ScS comparativement à la peau normale. Plus important encore, le traitement in vitro de   fibroblastes   de   la   peau   humaine   normale   avec   de   l’éphrine   B2   recombinante est capable de transformer des fibroblastes en cellules myofibroblastiques manifestant toutes les caractéristiques myofibroblastiques typiques, incluant la formation accrue de  fibres  de  tension,  des  adhérences  focales,  l’activation  accrue  de  la  FAK,  un  accroissement  de   l’expression  et  de  la  migration  de  fibroblastes  et  de  leur  adhérence  à  la  fibronectine  à  la  fois  chez   les   fibroblastes   cutanés   normaux   et   ScS.   En   outre,   j’ai   traité   des   souris   avec   de   l’éphrine   B2   recombinante et montré que ces souris ont développé une fibrose cutanée significative associée à une épaisseur dermique et à une synthèse de collagène augmentées, une teneur en hydroxyproline (teneur en collagène) accrue et un nombre accru de myofibroblastes exprimant de   l’α-SMA, une activation augmentée de la FAK et de marqueurs pro-fibreux incluant le collagène de type 1 et le FCTC. Dans  l’ensemble,  mes  études  ont  identifié  deux  médiateurs  endogènes  cruciaux  impliqués  dans  la   propagation  de  l’inflammation  et  de  la  fibrose  associées  à  la  maladie  de  ScS.  L’inhibition  de  la   mPGES-1   pourrait   représenter   une   bonne   stratégie   alternative   pour   contrer   l’inflammation   et   la   fibrose au moins durant les stades précoces de la maladie de ScS. De plus, une signalisation excessive   de   l’éphrine B2 favorise la signalisation adhésive et fibreuse en déclenchant la différenciation   de   fibroblastes   en   myofibroblastes   par   l’activation   de   la   voie   de   signalisation   de   la  FAK.  Ainsi,  l’inhibition  d’éphrine  B2  bloquera  la  formation  de  fibroblastes-myofibroblastes et régulera à la baisse la fibrose associée à la maladie de ScS. En somme, la mPGES-1  et  l’éphrine   B2 semblent toutes deux des cibles attrayantes pour le traitement de la ScS et des troubles fibreux qui y sont reliés. Scleroderma (Systemic sclerosis, SSc) is an autoimmune disease of the connective tissue featuring skin thickening, spontaneous scarring, and blood vessel disease, varying degrees of inflammation, associated with an overactive immune system. The exact pathogenesis of this disease is unknown and there is no appropriate treatment available. Fibrosis is a hallmark of SSc disease and is considered to arise due to an inability to appropriately terminate the normal wound repair response. Histological analysis of the initial stage of SSc reveals perivascular infiltrates of mononuclear cells in the dermis, which is associated with increased collagen synthesis in the surrounding fibroblasts. Thus understanding how to control the inflammatory stage of SSc may be of benefit in controlling the progression of early onset disease. mPGES-1 is an inducible enzyme that acts downstream of cyclooxygenase (COX) to specifically catalyze the conversion of prostaglandin (PG) H2 to PGE2. mPGES-1 plays a key role in inflammation, pain and arthritis; however, the role of mPGES-1 in fibrotic mechanisms especially with respect to human SSc is unknown. My laboratory has previously shown that mPGES-1-null mice are resistant to bleomycin-induced skin fibrosis, inflammation, cutaneous thickening, collagen production and myofibroblast formation. Based on these results I hypothesized that pharmacological inhibition of mPGES-1 will downregulate the production of pro-inflammatory and pro-fibrotic mediators during SSc disease. To explore the role of mPGES-1 in inflammation and fibrosis associated with SSc disease, I first investigated the expression of mPGES-1 in normal skin compared to skin biopsies extracted from SSc patients. My results showed that mPGES-1 is markedly elevated in SSc skin compared to normal human skin. In addition, the levels of mPGES-1- derived PGE2 were also significantly higher in skin fibroblasts isolated from SSc patients compared to fibroblasts isolated from healthy controls. I further investigated the effect of pharmacological inhibition of mPGES-1 on the expression of pro-fibrotic markers. My studies showed the expression of key pro-fibrotic  mediators  (α-SMA, endothelin-1, collagen type 1 and connective tissue growth factor) are elevated in SSc skin fibroblasts compared to normal skin fibroblasts. Treatment with mPGES-1 inhibitor resulted in significant reduction in the expression  of  α-SMA, endothelin-1, collagen type 1 but not CTGF in SSc and normal fibroblasts. Further, I investigated the effect of mPGES-1 inhibition on key pro-inflammatory cytokines implicated in SSc pathology including IL-6, IL-8 and MCP-1. Pharmacological inhibition of mPGES-1 resulted in significant reduction in the production levels of pro-inflammatory cytokines, IL6, IL8 and MCP-1 in SSc-lesioned fibroblasts compared to untreated fibroblasts. In addition, SSc patients exhibited higher levels of p-AKT, p-FAK and p-SMAD3 compared to normal skin fibroblasts. mPGES-1 inhibitor was able to down regulate this increased expression of p-AKT, p-FAK but not p-SMAD3 in SSc fibroblasts. These results suggested that inhibition of mPGES-1 may be a viable method to alleviate the development of cutaneous sclerosis and is a potential therapeutic target to control fibrotic and inflammatory mechanisms associated with the pathophysiology of SSc disease. One of the other critical processes associated with the evolution of fibrotic response associated with SSc disease is the differentiation of fibroblasts into specialized activated cells called myofibroblasts responsible for triggering excessive adhesive signaling and deposition of excessive extracellular matrix (ECM) leading to the destruction of organ architecture. Thus identifying endogenous factors which initiate/promote fibroblast-myofibroblast differentiation can lead to promising therapeutic strategies to control excessive adhesive signaling and fibrosis associated with SSc disease. Previous studies in cancer biology have suggested that ephrin B2, a transmembrane protein belonging to the family of ephrins, is involved in adhesive signaling and extracellular remodeling. However its role in fibrosis has never been explored. Therefore, in second part of my study, I investigated the role of ephrin B2 in fibrosis. My studies show ephrin v vi B2 expression is significantly enhanced in human SSc skin versus normal skin. Most importantly, in vitro treatment of normal human skin fibroblasts with recombinant ephrin B2 is able to transform fibroblasts into myofibroblastic cells exhibiting all typical myofibroblastic- characteristics including increased stress fibre formation, focal adhesions, increased activation of FAK, increased expression of and enhanced fibroblast migration and adhesion to fibronectin in both normal and SSc skin fibroblasts. Further, I treated mice with recombinant ephrin B2 and showed that these mice developed significant skin fibrosis associated with enhanced dermal thickness and collagen synthesis, increased hydroxyproline content (collagen content) and increased  number  of  α-SMA-expressing myofibroblasts, enhanced activation of FAK and pro- fibrotic markers including type-I collagen and CTGF. Overall, my studies have identified two crucial endogenous mediators involved in propagating inflammation and fibrosis associated with SSc disease. mPGES-1 inhibition may present a good alternative strategy to counteract inflammation and fibrosis at least during early stages of SSc disease. Further, excessive ephrin B2 signaling promotes adhesive and fibrotic signaling by triggering fibroblast to myofibroblast differentiation via activation of the FAK signaling pathway. Thus, inhibition of ephrin B2 will block fibroblast-myofibroblast formation and downregulate fibrosis associated with SSc disease. Overall, both mPGES-1 and ephrin B2 seems to be attractive targets for treatment of SSc and related fibrotic disorders.

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