Universität zu Köln

Holthaus, Michelle ORCID: 0000-0002-6207-1141 (2024). Peptidylarginine deiminase type IV sustains inflammatory response and drives maladaptive cardiac remodelling after myocardial infarction in mice. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Til today cardiovascular diseases (CVDs), including myocardial infarction (MI), are still associated with high morbidity and mortality rate. Although catheter intervention in the acute phase after MI has significantly contributed to reducing mortality, five years later, one in four patients is no longer alive. Sustained inflammation and maladaptive fibrosis represent predictive risk factors for the development of heart failure (HF). Peptidylarginine deiminase type IV (PAD4), a member of the PAD enzyme family catalyses the conversion of arginine residues to citrulline in target proteins. It is critically involved in the regulation of gene expression through histone modification. The pivotal role of PAD4 in cardiac remodelling is acknowledged, yet the underlying mechanisms remain unclear. In this study, a mouse model of MI with permanent ligation of the left anterior descending artery (LAD) was established. Male WT, PAD4-/- and WT mice treated with the pan-PAD inhibitor BB-Cl-Amidine were subjected to MI. The Padi4 expression was elevated in mice at days 1, 3, 7, and 28 post-MI as well as in humans, who passed from MI. Padi4 ablation resulted in a reduced immune response, as evidenced by reduced levels of cell necroptosis, diminished expression of inflammation-related genes and reduced infiltration of myeloid cells, in infarcted hearts. At day 7 post-MI, PAD4-/- monocytes/macrophages (Mo/Mφ) displayed a reparative phenotype characterized by reduced expression of inflammatory genes, like Ccr2, Nos2, Tnfα, Il6 and Il1α and upregulated surface expression of the mannose receptor CD206. Additionally, reduced expression of fibrotic genes and proteins, such as TGF-β, pSMAD2, and Collagen type I were found in hearts of PAD4-/- mice. This was accompanied by diminished fibrotic pathways in isolated PAD4-/- cardiac fibroblasts (CFs), resulting in a decreased abundance of myofibroblasts, reduced scar size, and less fibrosis. Pharmacological PAD inhibition during the initial inflammatory phase (days 1 and 3) post-MI resulted in massive cardiac damage, increased inflammatory gene expression and reduced total collagen content in infarcted hearts. This led to a higher risk of cardiac rupture and significantly reduced the 7-day survival rate to approximately 20%. On the other hand, pharmacological inhibition starting after resolution of inflammation resulted in a substantial reduction in collagen abundance and fibrotic area, thus improving long-term survival. The same benefits were observed in PAD4-/- mice. Taken together, these results demonstrate that genetic and pharmacological targeting of PADs, including PAD4, may prevent adverse remodelling by altering the phenotype of macrophages, influencing pro-fibrotic pathways in CFs and thereby diminishing excessive deposition of extracellular matrix (ECM), ventricular stiffness and improving long-term survival.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Herz-Kreislauf-Erkrankungen, einschließlich der Myokardinfarkt (MI), sind bis heute mit einer hohen Morbidität und Mortalität assoziiert. Obwohl die Katheterintervention in der akuten Phase nach einem MI die Sterblichkeit signifikant reduziert hat, ist fünf Jahre später immer noch jeder vierte Patient nicht mehr am Leben. Eine anhaltende Entzündung und eine maladaptive Kollagenproduktion (Fibrose) stellen prädiktive Risikofaktoren für die Entwicklung einer Herzinsuffizienz (HI) dar. Das Enzym Peptidylarginin-Deiminase Typ IV (PAD4), ein Mitglied der PAD-Enzymfamilie, katalysiert die Umwandlung von Argininresten in Citrullin in Zielproteinen. Zudem ist es entscheidend an der Regulation der Genexpression durch Histonmodifikation beteiligt. Die zentrale Rolle von PAD4 im kardialen Remodelling ist anerkannt, jedoch bleiben die zugrundeliegenden Mechanismen unklar. In dieser Studie wurde ein Mausmodell etabliert, bei dem durch eine permanente Ligatur der linken vorderen absteigenden Koronararterie ein MI imitiert wurde. Männliche, 9-12 Wochen alte WT, PAD4-/- und WT-Mäuse, die mit dem Pan-PAD-Inhibitor BB-Cl-Amidin behandelt wurden, wurden einem MI unterzogen. Die Padi4-Expression bei WT Mäusen war an den Tagen 1, 3, 7 und 28 nach MI sowie bei Menschen, die nachweislich an MI gestorben sind, erhöht. Zudem führte das Fehlen von Padi4 in Mäusen zu einer reduzierten Immunantwort, was sich durch eine verringerte Zellnekroptose, verminderte Expression von entzündungsassoziierten Genen und reduzierte Infiltration von myeloiden Zellen in infarzierten Herzen zeigte. Am 7. Tag nach MI zeigten PAD4-/- Monozyten/Makrophagen (Mo/Mφ) einen reparativen Phänotyp, gekennzeichnet durch eine verringerte Expression von inflammatorischen Genen wie z.Bsp. Ccr2, Nos2, Tnfα, Il6, und Il1α und eine erhöhte Oberflächenexpression von CD206. Zusätzlich konnte im Herzen dieser Mäuse eine reduzierte Expression von fibrotischen Genen und Proteinen wie TGF-β, pSMAD2 und Kollagen Typ I festgestellt werden. Isolierte PAD4-/- kardiale Fibroblasten (KFs) zeigten verminderte pro-fibrotische Signalwege, was zu einer verringerten Anzahl von kollagenproduzierende Myofibroblasten, einer reduzierten Narbengröße und weniger Fibrose führte. Die pharmakologische PAD-Inhibition während der initialen Entzündungsphase (Tag 1 und 3) nach MI führte zu massiven Herzschäden, einer erhöhter Expression von inflammatorischen Genen und reduzierte den Gesamtkollagengehalt in infarzierten Herzen dieser Mäuse signifikant. Dies hatte ein erhöhtes Risiko für eine Herzruptur zur Folge und reduzierte die 7-Tage-Überlebensrate signifikant auf ca. 20%. Andererseits führte eine pharmakologische Hemmung nach der initialen Entzündungsphase zu einer signifikanten Reduktion des Kollagengehaltes und der Fibrose, wodurch das Langzeitüberleben dieser Tiere verbessert wurde. Vergleichbare Vorteile wurden bei PAD4-/- Mäusen beobachtet. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass die genetische und pharmakologische Hemmung von PADs, einschließlich PAD4, das adverse kardiale Remodelling verhindern kann. Dies wird erreicht, indem der Phänotyp von Makrophagen in Richtung eines reparativen Phänotyps gefördert und pro-fibrotische Signalwege in KFs unterdrückt werden. Dadurch kommt es zu einer verminderten Kollagenablagerung im Herzen und einer verbesserten Langzeitüberlebensrate. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Holthaus, Michelle michelle.holthaus@uk-koeln.de orcid.org/0000-0002-6207-1141 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-746262
Date:	2024
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Chirurgie > Klinik und Poliklinik für Herz- und Thoraxchirurgie
Subjects:	Generalities, Science Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language myocardial infarction English immune cells English fibrosis English macrophages UNSPECIFIED
Date of oral exam:	November 2024
Referee:	Name Academic Title Langmann, Thomas Prof. Wunderlich, Thomas Prof.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74626