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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-65148
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6514/


Seidel, Petra

Dimethylfumarate: a potential drug for asthma : modulation of cytokine secretion and pro-inflammatory signaling pathways by dimethylfumarate in primary human lung cells

Dimethylfumarat: ein potentielles Medikament für Asthma : Dimethylfumarat vermittelte Modulation von Zytokinfreisetzung und pro-inflammatorischen Signaltransduktionswegen in primären humanen Zellen der Lunge

Dokument1.pdf (9.293 KB) (md5sum: 0c0fa53d8d842cd8e2a6328d98d811d5)

Kurzfassung in Englisch

Asthma is a disease of the airways characterised by chronic airway inflammation which is associated with pathological changes of the airway wall and increased airway hyper-responsiveness. It has long been accepted that airway inflammation is caused by a dysfunctional immune system and mainly mediated by Th2 cell secreted factors. However, in recent years it became evident that structural cells of the airway such as airway smooth muscle cells (ASMC) and lung fibroblasts are an important source of inflammatory factors and therefore actively contribute to airway inflammation in asthma. Thus, structural cells are interesting targets for asthma therapy.
Although, the currently available asthma therapy is sufficient to control the disease in most patients, there is still a considerable number of patients whose symptoms remain poorly controlled and, these patients account for a disproportional amount of the total health care costs associated with asthma. Thus, to improve the quality of life of all asthma patients and to minimize health care costs associated with asthma, new therapeutic options to treat asthma are needed.
The anti-psoriatic drug dimethylfumarate (DMF) has been anecdotally reported to reduce asthma symptoms in patients suffering from both diseases and to improve their quality of life. The molecular action of DMF in psoriasis has been suggested to be mediated via the inhibition of the transcription factor NF-kappaB. NF-kappaB is one of the most potent transcription factors involved in the activation of inflammatory genes in asthma and its inhibition resulted in the down regulation of a large number of pro-inflammatory mediators on the level of transcriptional control. In addition, an interference with the cellular redox system by DMF has been reported and thus anti-oxidant properties of DMF may help to balance increased oxidative stress in asthma. Furthermore, the excellent pharmacological efficacy and safety profile of DMF during long-term treatment in psoriasis makes it an interesting drug for the use in asthma therapy. To prove the hypothesis that DMF might be of benefit in asthma therapy, this study aimed to determine the mechanisms underlying the anti-inflammatory effects of DMF in isolated primary human lung cells obtained from healthy and diseased tissues.
To achieve this aim, non-asthmatic primary human lung fibroblasts and ASMC as well as asthmatic ASMC were grown in low serum medium and inflammatory conditions were mimicked by stimulation of the cells with the asthma relevant factors TNF-alpha or PDGF-BB. Using this setting, the anti-inflammatory effects of DMF on asthma relevant cytokine secretion (eotaxin, RANTES, IP-10, IL-8, IL-6), transcription factors (NF-kappaB, AP-1, STAT 1, 3, CREB) on kinase activation (MSK-1, MAPK p38, ERK 1/2, JNK), and the role of glutathione in the signaling cascade were investigated. In addition, the possible additive or synergistic effect of a combination of DMF with the glucocorticoid dexamethasone on cytokine secretion was assessed.
The results showed that DMF inhibited: (I) the secretion of the chemokines eotaxin, RANTES, IP-10, and of the pro-inflammatory cytokines IL-6 in asthmatic and non-asthmatic human lung cells. The inhibitory effect of DMF was similar to that of dexamethasone, however with no additive or synergistic effect of the drugs combination. (II) These effects are likely to be mediated through the DMF-induced inhibition of the pro-inflammatory transcription factor NF-kappaB on multiple levels, but also by DMF’s inhibitory effect on STAT-3, AP-1 and CREB activation. (III) DMF also activated the p38 mitogen activated protein kinase (MAPK) with a subsequent up-regulation of IL-8 expression and of the anti-oxidant and anti-inflammatory enzyme heme-oxygenase (HO)-1. (IV) These effects were dependent on transient depletion of GSH which was followed by a significant increase of intracellular GSH after prolonged exposure to DMF. (V) The DMF-mediated up-regulation of IL-8 was only observed in ASMC from non-asthmatic ASMC and asthmatic ASMC stimulated with PDGF-BB, whereas it was reduced in TNF-alpha stimulated ASMC from asthmatic donors, the underlying mechanism remaining unclear.
Considering the fact that all pro-inflammatory factors affected by DMF in primary lung cells are susceptible to changes in GSH, suggests that DMF exerts its immunomodulatory effect by alteration of intracellular GSH levels in human lung cells. The presented data indicate that DMF might indeed have potential in asthma therapy.


Kurzfassung in Deutsch

Asthma ist eine chronisch entzündliche Erkrankung der Atemwege, die mit pathologischen Veränderungen der Bronchialwand und bronchialer Hyperreagibilität verbunden ist. Man vermutet, dass die Entzündung der Atemwege bei Asthma hauptsächlich durch ein hyperreaktives Immunsystem und eine gesteigerte Th2 Zellantwort verursacht wird. In den letzten Jahren wurde jedoch deutlich, dass strukturelle Zellen der Lunge, wie Bronchialmuskelzellen oder Lungenfibroblasten Entzündungsmediatoren freisetzen können und deshalb wohl aktiv an Entzündungsprozessen bei Asthma beteiligt sind. Aus diesem Grund stellen strukturelle Zellen der Lunge interessante Angriffspunkte für Asthmatherapeutika da.
Obwohl Asthma durch die momentan zugelassenen Asthmamedikamente meist gut therapierbar ist, verbleibt eine nicht zu vernachlässigende Zahl von Patienten, deren Symptome nicht kontrollierbar sind. Es ist daher wichtig neue Asthmatherapeutika zu entwickeln, um die Lebensqualität aller Asthmapatienten zu sichern und um die mit Asthma verbundenen Kosten zu minimieren.
Dimethylfumarat wird in Deutschland zur Therapie der Psoriasis eingesetzt. Interessanterweise haben Psoriasispatienten, die ebenfalls unter Asthma leiden über eine Reduktion ihrer Asthmasymptome sowie eine Verbesserung der Lebensqualität während einer DMF Therapie berichtet.
Es wird vermutet, dass die anti-entzündliche Wirkung von DMF bei Psoriasis durch eine Inhibierung des Transkriptionsfaktors NF-kappaB vermittelt wird. NF-kappaB ist ein Transkriptionsfaktor, der ebenfalls bei Entzündungsprozessen bei Asthma eine wichtige Rolle spielt, da er an der Transkription vieler bei Asthma erhöhter inflammatorischer Faktoren beteiligt ist. Eine Inhibierung von NF-kappaB durch DMF könnte daher zu einer Reduktion vieler Entzündungsfaktoren bei Asthma führen. Zusätzlich wurde gezeigt, dass DMF mit dem intrazellulären Redoxsystem interferieren kann. Anti-oxidative Eigenschaften von DMF könnten daher helfen, erhöhten oxidativen Stress bei Asthma auszugleichen. Die hohe klinische Effizienz und Sicherheit von DMF während einer Langzeittherapie bei Psoriasis spricht ausserdem für einen Einsatz von DMF als Asthmamedikament. Ziel dieser Studie war es deshalb zu testen, ob DMF Potential als zukünftiges Asthmamedikament hat. In dieser Studie wurden die Mechanismen untersucht, die der anti-inflammatorischen Wirkung von DMF bei asthmatischen und nicht-asthmatischen Zellen der Lunge zu Grunde liegen.
Primäre humane Lungenfibroblasten und Bronchialmuskelzellen von gesunden Spendern sowie Bronchialmuskelzellen von Asthmapatienten wurden im Hungermedium kultiviert und mit den Asthma-relevanten Entzündungsmediatoren TNF-alpha oder PDGF-BB stimuliert. Anschliessend wurden die Effekte von DMF auf Zytokinefreisetzung (Eotaxin, RANTES, IP-10, IL-8, IL-6), Transkriptionsfaktoren (NF-kappaB, AP-1. STAT 1, 3; CREB) und Kinase Aktivierung (MSK-1, MAPK p38, ERK 1/2, JNK) und die Rolle von Glutathion in der Signalkaskade untersucht. Ausserdem wurde ein möglicher synergistischer oder additiver Effekt einer Kombination aus DMF und dem Glucocorticoid Dexamethason untersucht. Die Ergebnisse zeigen dass: (I) DMF die Freisetzung der Chemokine Eotaxin, RANTES, IP-10 und des pro-inflammatorischen Zytokin IL-6 von asthmatischen und nicht-asthmatischen Bronchialmuskelzellen inhibiert. Es konnten jedoch keine additiven oder synergistischen Effekte einer Medikamentenkombination aus DMF und Dexamethason festgestellt werden. (II) Diese inhibitorischen Effekte werden möglicherweise durch eine DMF induzierte Inhibierung von NF-kappaB auf mehreren Ebenen, sowie durch Inhibition der Transcriptionsfaktoren STAT-3, AP-1 und CREB vermittelt. (III) DMF aktivierte die p38 MAPK was eine Hochregulierung von IL-8 und Induktion des anti-inflammatorischen und anti-oxidativen Enzyms Heme-Oxygenase (HO)-1 zur Folge hatte.(IV) Diese Effekte wurden verursacht durch eine vorübergehende Runterregulierung von Glutathion, die jedoch eine Hochregulierung von Glutathion zu einem späteren Zeitpunkt nach sich zog. Die (V) DMF induzierte Hochregulierung von IL-8 wurde nur in nicht-asthmatischen und PDGF-BB stimulierten asthmatischen Bronchialmuskelzellen beobachtet. In TNF-alpha stimulierten asthmatischen Bronchialmuskelzellen wurde IL-8 durch DMF inhibiert, wobei die dafür verantwortlichen Mechanismen jedoch noch nicht bekannt sind.
Da die biologische Aktivität aller Faktoren, die in dieser Studie durch DMF inhibiert wurden durch Änderungen des Glutathionspiegels regulierbar sind, schliessen wir daraus, dass die immunomodulatorischen Effekte von DMF in Zellen der Lunge durch eine Veränderung des Glutathionspiegels vermittelt werden. Die präsentierten Daten zeigen, dass DMF durchaus Potential als zukünftiges Asthmamedikament hat.


SWD-Schlagwörter: Dimethylfumarat , Bronchialasthma , Entzündung , Transkriptionsfaktor , Glutathion
Freie Schlagwörter (englisch): dimethylfumarate , NF-kappaB , glutathione, chemokines , IL-6
Institut: Dekanat Fakultät für Chemie, Pharmazie u. Geowiss.
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Merfort, Irmgard (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 18.05.2009
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