1Herzzentrum der Universität zu Köln Klinik III für Innere Medizin Köln, Deutschland; 2Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München Klinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie München, Deutschland
Hintergrund: Abdominale Aortenaneurysmata (AAA) sind durch den Verlust glatter Gefäßmuskelzellen (SMCs) charakterisiert. Wachstumsfaktoren induzieren Proliferation und Zellüberleben von SMCs. PI 3-Kinase (PI3K) ist ein wichtiger downstream-Mediator in der Wachstumsfaktor-Signaltransduktion.
Zielsetzung: Diesem Projekt liegt die Hypothese zugrunde, dass PI3K vermittelte SMC-Proliferation den Verlust von SMCs im AAA kompensieren und so die AAA-Progression hemmen kann. Daher sollte untersucht werden, wie eine verminderte PI3K Aktivität in SMCs Zellproliferation sowie AAA-Progression und damit einhergehendes vaskuläres Remodeling beeinflusst.
Methoden: Um den Einfluss der PI3K in diesem Kontext zu untersuchen, wurden Mäuse und aortale SMCs mit Gefäßmuskel-spezifischer Defizienz der katalytischen PI3K Untereinheit p110α (SM-p110α-/-) untersucht. AAA-Entstehung in SM-p110α-/- Mäusen und Wildtyp(WT)-Geschwistertieren wurde durch Perfusion des infrarenalen Aortenabschnitts mit Elastase aus dem Pankreas des Schweins (PPE) induziert. Durchmesser der AAA wurden echokardiographisch bestimmt. Strukturelle Veränderungen in der Aorta wurden durch (immun)histochemische Färbungen kenntlich gemacht. Proliferation von SMCs wurde in vitro durch BrdU Inkorporation oder Echtzeit-Zellanalyse gemessen. p110α induzierte Signaltransduktionswege wurden mittels Western Blot charakterisiert.
Ergebnisse: PPE-Behandlung führte bereits nach 3 Tagen zu einem massiven Verlust von SMCs im perfundierten Aortenabschnitt sowohl bei SM-p110α-/- als auch bei WT-Mäusen. Der Aortendurchmesser war nach 28 Tagen in allen PPE-behandelten Mäusen vergrößert. Dabei war die Zunahme des Aortendurchmesser in SM-p110α-/- Mäusen (70,2±10,8%, n=9) im Vergleich zu WT-Tieren (42,4±6,0%, n=10) signifikant erhöht (p<0,05). Interessanterweise wurde ein ähnlicher Effekt durch Alterung (unbehandelter) Mäuse erzielt: Bei 24 Monate alten SM-p110α-/- Mäusen war der Lumendurchmesser der abdominalen Aorta im Vergleich zu 3 Monate alten Tieren um 42% erhöht, bei entsprechenden WT-Mäusen hingegen nur um 15%.
PPE behandelte SM-p110α-/- Mäuse waren im Vergleich zu WT-Tieren durch vermindertes vaskuläres Remodeling mit weniger PCNA-positiven proliferierenden Zellen gekennzeichnet. Zudem proliferierten isolierte aortale p110α-/- SMCs in Serum-haltigem Medium signifikant langsamer. Mechanistische Untersuchungen zeigten, dass die PDGF- als auch die Insulin-induzierte Aktivierung von AKT sowie die AKT-abhängige Phosphorylierung und Inaktivierung der Transkriptionsfaktoren FOXO-1, -3 und -4 in p110α-/- SMCs im Vergleich zu WT-Zellen signifikant vermindert war. Weitere Analysen ergaben, dass die spezifische Inhibition von FOXO1 mittels AS1842856 die eingeschränkte Proliferation von p110α-/- SMCs nach Stimulation mit PDGF oder Serum wieder auf WT-Niveau zurückführen konnte. Zudem ergab eine Expressionsanalyse von FOXOs in Patienten eine signifikant erhöhte FOXO1 Expression in AAA gegenüber aortalen Proben gesunder Individuen.
Schlussfolgerung: Defizienz der katalytischen PI3K Isoform p110α in SMCs begünstigt die Entstehung und Progression von AAA. p110α/AKT-abhängige Inaktivierung von FOXO1 induziert die Proliferation von SMCs, wodurch Schädigungen der Aortenwand eingedämmt werden können. Da FOXO1 Inhibitoren sowie ein kürzlich entwickelter p110α Aktivator verfügbar sind, könnte die PI3K/AKT/FOXO1 Signalkaskade einen therapeutischen Angriffspunkt zur Beeinflussung der Stabilität der Aortenwand bei AAA bieten.