Epi-metabolic drug design and characterization to prevent or ameliorate fibrosis in human diseased cellular systems

Cardiovascular diseases (CVDs) constitute a class of disorders that affect the heart and/or the cardiovascular system, considered as a leading cause of mortality worldwide, and being responsible for 31% of all deaths. Fibrosis is a pathologic scarring process consisting into an impairment of organ function in different tissues due to excessive deposition of extracellular matrix (ECM), of which the major cell type responsible is the myofibroblast. It is well documented that fibrotic tissues are often in a condition of chronic hypoxia which directly contributes to fibrogenesis. The degree of hypoxia within myocardial tissue is directly associated with increased expression of the pro-fibrotic genes, like α-smooth muscle actin (αSMA) and collagen 1 (COL1). What has recently come to light is that the activation of the fibroblast to myofibroblast may be under epigenetic control. Specifically, DNA methylation is a conserved mechanism to precisely regulate gene expression in a determined context, it is introduced and regulated by a complex network of enzymes, among them DNA methyltransferases (DNMT) and Ten-eleven translocation proteins (TETs), whose activity depends on cofactors synthesized during fundamental metabolic processes. This study considers the role of methylation in the processes of hypoxia and fibrosis, and how they could be targeted by novel epigenetically active drugs controlling DNA demethylation, specifically TET proteins which represent a crucial target for novel therapeutic approaches. A library of ten non-nucleoside analogues compound, TET2-selective inhibitors, has been tested for their epigenetic and anti-fibrotic activity. Among them, on human cardiac fibroblast under hypoxic condition, at least four compounds showed a significant accumulation of global DNA methylation and two of them showed a significant reduction of fibrosis-related genes and proteins expression, compared to the solvent control, while restoring their levels if compared to the normoxic condition. Cardiac fibroblasts, due to their characteristics, constitute a main focus in fibrosis research; in fact, the inhibition of fibroblast-mediated ECM synthesis is the principal goal of anti-fibrotic therapeutic approaches. Our results present evidence about a new group of specific non-nucleoside analogues for DNA-demethylation which might become relevant tools to prevent/reduce cardiac fibrosis.

Le malattie cardiovascolari (CVDs) sono una classe di patologie che colpiscono il cuore e/o il sistema cardiovascolare, considerate una delle principali cause di mortalità in tutto il mondo, e responsabili per il 31% dei decessi. La fibrosi è un processo cicatriziale patologico che consiste in una compromissione della funzione degli organi in diversi tessuti, a causa di eccessiva deposizione della matrice extracellulare (ECM). Il principale tipo di cellula responsabile di questo processo è il miofibroblasto. È ben documentato che i tessuti fibrotici sono spesso in uno stato di ipossia cronica che contribuisce direttamente alla fibrogenesi. Il grado di ipossia all’interno del tessuto miocardico è direttamente associato ad un’aumentata espressione dei geni pro-fibrotici, come l’α-actina muscolare liscia (αSMA) e il collagene di tipo 1 (COL1). Ciò che è stato recentemente osservato è che l’attivazione da fibroblasto a miofibroblasto può essere controllata a livello epigenetico. In particolare, dalla metilazione del DNA che è un meccanismo conservato per regolare con precisione i geni di espressione in un determinato contesto. La metilazione viene introdotta e regolata da una complessa rete di enzimi, tra cui le DNA metiltransferasi (DNMT) e le proteine di traslocazione Ten-eleven (TET), la cui attività dipende da cofattori sintetizzati durante i principali processi metabolici. Questo studio esamina il ruolo della metilazione in condizioni di ipossia e fibrosi, e valuta i potenziali effetti di nuovi farmaci epigeneticamente attivi in grado di modulare la demetilazione del DNA, in particolare le proteine TETs, le quali rappresentano un rilevante bersaglio per nuovi approcci terapeutici. Una piccola libreria di dieci composti, inibitori selettivi dell’isoforma TET2, strutturalmente differenti dai nucleosidi, è stata testata per valutarne l’efficacia epigenetica e anti-fibrotica. Tra questi composti, almeno quattro molecole hanno mostrato un significativo accumulo di metilazione del DNA globale in fibroblasti cardiaci umani sottoposti a condizioni ipossiche, e due di loro hanno mostrato una riduzione significativa dell’espressione dei geni e delle proteine correlati alla fibrosi, se confrontate con il controllo trattato con solvente; e ripristinandone i livelli se confrontati con la condizione di normossia. I fibroblasti cardiaci, per le loro caratteristiche, costituiscono un punto focale della ricerca sulla fibrosi; infatti, l’inibizione della sintesi di ECM mediata da fibroblasti è l’obiettivo dei principali approcci terapeutici anti-fibrotici. I nostri risultati mostrano gli effetti di un nuovo gruppo di farmaci epigenetici specifici per la demetilazione del DNA che potrebbero diventare strumenti rilevanti per prevenire o trattare la fibrosi cardiaca.