Long-PDE4D degradation attenuates left ventricular cardiomyocyte hypertrophic remodelling

Het menselijke hart is een onvermoeibare pomp, maar het ritme ervan hangt af van een delicate chemische conversatie die plaatsvindt in elke individuele spiercel. Deze conversatie draait om een minuscuul molecuul genaamd cyclisch AMP, dat fungeert als een boodschapper die instructies overbrengt van de oppervlakte van de cel naar de interne machinerie. Wanneer het hart sneller of krachtiger moet kloppen, overstromen deze boodschappers specifieke gebieden van de cel om de noodzakelijke veranderingen te triggeren. De cel bevat echter ook haar eigen schoonmaakploeg, enzymen die deze boodschappers afbreken om te voorkomen dat het signaal te luid of chaotisch wordt. In een gezond hart zorgt dit evenwicht ervoor dat het signaal om te kloppen sterk is waar het nodig is, maar beperkt blijft waar het niet mag verspreiden. Wanneer dit systeem faalt, kan het hart beginnen te verdikken en te verstijven in een gevaarlijk proces dat hypertrofie wordt genoemd, een conditie die vaak leidt tot hartfalen. Decennialang hebben artsen geprobeerd dit te herstellen door medicijnen te gebruiken die de schoonmaakploeg volledig blokkeren, maar deze botte instrumenten veroorzaken vaak gevaarlijke bijwerkingen omdat ze het hele chemische landschap van de cel verstoren, en niet alleen het specifieke deel dat kapot is.

Een team van onderzoekers heeft nu een veel preciezere aanpak verkend, een aanpak die niet alleen de schoonmaakploeg blokkeert, maar specifieke leden ervan volledig uit de cel verwijdert. Ze richtten zich op een specifiek type schoonmaakenzym, bekend als lang PDE4D, dat fungeert als een poortwachter in specifieke buurten van de hartcel, met name nabij de buitenwand van de cel en het commandocentrum. Met behulp van een nieuw hulpmiddel genaamd een PROTAC, wat een molecuul is dat ontworpen is om ongewenste eiwitten te labelen voor afvoer, richtten de wetenschappers zich op het verwijderen van deze specifieke poortwachters. In experimenten met volwassen rattenhartcellen en plakjes menselijk hartweefsel ontdekten zij dat het elimineren van deze specifieke enzymen de chemische signalen vrijer liet stromen in de gebieden die groei en genexpressie aansturen, terwijl de signalen die de werkelijke samentrekking van de hartspier aansturen, volledig onaangetast bleven. Het resultaat was een hartcel die resistent was tegen de verdikking veroorzaakt door stress, zonder het vermogen te verliezen om bloed effectief rond te pompen.

De onderzoekers begonnen met het ontwerpen van een molecuul genaamd KTX-184, dat anders werkt dan traditionele medicijnen. In plaats van in de actieve site van een enzym te gaan zitten om de werking te stoppen, fungeert KTX-184 als een moleculaire brug. Eén uiteinde van de brug grijpt de lang PDE4D-enzym vast, terwijl het andere uiteinde de natuurlijke afvalverwerkingssystemen van de cel grijpt. Dit dwingt de cel om het enzym als afval te herkennen en af te breken. Het team testte dit eerst in laboratoriumgekweekde hartcellen en bevestigde dat het molecuul erin slaagde de hoeveelheid van het specifieke lang PDE4D-eiwit te verminderen zonder andere vergelijkbare enzymen te beïnvloeden die de cel voor andere taken nodig heeft. Ze observeerden dat binnen slechts twee uur na behandeling de niveaus van dit specifieke enzym begonnen te dalen, en dat het effect minstens een dag aanhield. Cruciaal was dat zij aantoonden dat dit proces afhankelijk was van de afvalverwerkingsmachinerie van de cel, aangezien het blokkeren van dat systeem voorkwam dat het enzym werd verwijderd.

Nadat het mechanisme was bevestigd, gingen de wetenschappers over naar volwassen rattenhartcellen om te zien hoe deze verwijdering de interne chemie van de cel beïnvloedde. Ze gebruikten een speciale beeldvormingstechniek waarmee ze de chemische boodschappers in realtime konden observeren. Ze ontdekten dat wanneer ze de cellen behandelden met KTX-184, de chemische signalen nabij de buitenwand van de cel en in de kern veel sterker werden wanneer de cel werd gestimuleerd. Dit betekende dat de instructies voor groei en adaptatie duidelijker werden gehoord. Echter, en dit is een vitaal onderscheid, de signalen die de werkelijke contractie van de hartspier aansturen, bleven exact hetzelfde. De cellen sloegen niet harder of sneller, noch vertoonden ze tekenen van de chaotische elektrische activiteit die kan leiden tot gevaarlijke hartritmen. De onderzoekers controleerden ook de kleine calciumpieken die de hartslag aansturen en vonden deze volledig onveranderd, wat bewees dat het medicijn de pompkracht van het hart niet verstoorde.

De studie testte vervolgens of deze aanpak daadwerkelijk kon voorkomen dat het hart ziek wordt. Ze stelden hartcellen bloot aan een stof die bekend staat om het abnormaal verdikken en groeien van cellen, een conditie die de stress van een hoge bloeddruk nabootst. In cellen die behandeld waren met het nieuwe molecuul, werd de verdikking aanzienlijk verminderd. De cellen behielden hun normale vorm en grootte, en de minuscule buisjes die door de hartspier lopen, die essentieel zijn voor efficiënte signalering, bleven georganiseerd en intact. In contrast hiermee vertoonden cellen die behandeld waren met oudere, niet-selectieve medicijnen geen dergelijke bescherming. De onderzoekers keken ook naar de genetische activiteit in de cellen en stelden vast dat de nieuwe behandeling de activatie van genen die hartziekten aansturen stopte, waardoor de schakelaar voor pathologische groei effectief werd uitgezet.

Om er zeker van te zijn dat deze bevindingen niet slechts een bijzonderheid van ratcellen waren, herhaalde het team de experimenten met menselijk hartweefsel. Ze namen kleine plakjes gezond menselijk hartspierweefsel en onderwierpen deze aan mechanische stress, wat ervoor zorgt dat de cellen uitrekken en verdikken. Wanneer zij het nieuwe molecuul aan deze menselijke plakjes toevoegden, slaagde het erin om te voorkomen dat de cellen breder en stijver werden, een sleutelkenmerk van hartfalen. De menselijke cellen reageerden op dezelfde manier als de ratcellen: de signalen die groei aansturen werden op een gecontroleerde manier versterkt, terwijl de signalen voor het pompen stabiel bleven. Dit suggereert dat het mechanisme geconserveerd is over verschillende soorten en potentieel zou kunnen werken bij mensen.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk omdat het een nieuwe manier biedt om na te denken over de behandeling van hartziekten. Jarenlang was het doel om de prestaties van het hart te verbeteren, maar dit gaat vaak gepaard met het risico dat het hart te hard of onregelmatig slaat. Deze nieuwe aanpak suggereert dat het door selectief specifieke eiwitten te verwijderen mogelijk is om het interne communicatienetwerk van het hart te herbedraden om te voorkomen dat het op de verkeerde manier groeit, zonder het ritme van de slag te verstoren. De onderzoekers benadrukken dat hoewel deze resultaten veelbelovend zijn, ze gebaseerd zijn op cellen en weefselsneden, en dat de volgende stap is om te zien of het molecuul veilig werkt in een levend organisme. Desalniettemin biedt de studie een duidelijk bewijs van concept dat gerichte eiwitdegradatie de signalering van hartcellen kan hervormen met een precisie die traditionele medicijnen niet kunnen bereiken, wat een potentiële weg opent naar therapieën die de kernoorzaak van hartremodellering behandelen zonder de essentiële functie van het hart in gevaar te brengen.