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 represents 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.

Caratterizzazione di farmaci epi-metabolici per prevenire o migliorare la fibrosi in sistemi cellulari umani malati. Le malattie cardiovascolari costituiscono una classe di disturbi che colpiscono il cuore e/o il sistema cardiovascolare, considerati una delle principali cause di mortalità a livello mondiale e responsabili del 31% di tutti i decessi. La fibrosi è un processo cicatriziale patologico che consiste in una compromissione della funzione degli organi in diversi tessuti a causa dell'eccessiva deposizione di matrice extracellulare (ECM), di cui il principale tipo cellulare responsabile è il miofibroblasto. È ben documentato che i tessuti fibrotici sono spesso in una condizione di ipossia cronica che contribuisce direttamente alla fibrogenesi. Il grado di ipossia all'interno del tessuto miocardico è direttamente associato all'aumentata espressione dei geni pro-fibrotici, come l'α-actina muscolare di muscolo liscio (αSMA) e il collagene 1 (COL1). Di recente è emerso che l'attivazione del fibroblasto a miofibroblasto potrebbe essere sotto il controllo epigenetico. Nello specifico, la metilazione del DNA è un meccanismo conservato per regolare con precisione l'espressione genica in un determinato contesto, viene introdotta e regolata da una complessa rete di enzimi, tra cui DNA metiltransferasi (DNMT) e proteine di traslocazione Ten-eleven (TET), la cui attività dipende sui cofattori sintetizzati durante i processi metabolici fondamentali. Questo studio considera il ruolo della metilazione nei processi di ipossia e fibrosi e come potrebbero essere presi di mira da nuovi farmaci epigenetici attivi che controllano la demetilazione del DNA, in particolare le proteine TET che rappresentano un bersaglio cruciale per nuovi approcci terapeutici. Una libreria di dieci composti inibitori, analoghi non-nucleosidici, selettivi di TET2, è stata testata per la loro attività epigenetica e antifibrotica. Tra questi, negli esperimenti condotti sul fibroblasto cardiaco umano in condizioni ipossiche, almeno quattro composti hanno mostrato un significativo accumulo di metilazione globale del DNA e due di essi hanno mostrato una significativa riduzione dell'espressione di geni e proteine correlati alla fibrosi, rispetto al controllo, ripristinando i loro livelli alla condizione normossica. I fibroblasti cardiaci, per le loro caratteristiche, costituiscono un importante obiettivo nella ricerca sulla fibrosi; infatti, l'inibizione della sintesi di matrice extracellulare mediata dai fibroblasti è l'obiettivo principale degli approcci terapeutici antifibrotici. I nostri risultati presentano prove su un nuovo gruppo di molecole specifiche per la demetilazione del DNA che potrebbero diventare importanti strumenti per prevenire/ridurre la fibrosi cardiaca.

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

SCLAVI, CARLO
2021/2022

Abstract

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 represents 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.
2021
Epi-metabolic drug characterization to prevent or ameliorate fibrosis in human diseased cellular systems
Caratterizzazione di farmaci epi-metabolici per prevenire o migliorare la fibrosi in sistemi cellulari umani malati. Le malattie cardiovascolari costituiscono una classe di disturbi che colpiscono il cuore e/o il sistema cardiovascolare, considerati una delle principali cause di mortalità a livello mondiale e responsabili del 31% di tutti i decessi. La fibrosi è un processo cicatriziale patologico che consiste in una compromissione della funzione degli organi in diversi tessuti a causa dell'eccessiva deposizione di matrice extracellulare (ECM), di cui il principale tipo cellulare responsabile è il miofibroblasto. È ben documentato che i tessuti fibrotici sono spesso in una condizione di ipossia cronica che contribuisce direttamente alla fibrogenesi. Il grado di ipossia all'interno del tessuto miocardico è direttamente associato all'aumentata espressione dei geni pro-fibrotici, come l'α-actina muscolare di muscolo liscio (αSMA) e il collagene 1 (COL1). Di recente è emerso che l'attivazione del fibroblasto a miofibroblasto potrebbe essere sotto il controllo epigenetico. Nello specifico, la metilazione del DNA è un meccanismo conservato per regolare con precisione l'espressione genica in un determinato contesto, viene introdotta e regolata da una complessa rete di enzimi, tra cui DNA metiltransferasi (DNMT) e proteine di traslocazione Ten-eleven (TET), la cui attività dipende sui cofattori sintetizzati durante i processi metabolici fondamentali. Questo studio considera il ruolo della metilazione nei processi di ipossia e fibrosi e come potrebbero essere presi di mira da nuovi farmaci epigenetici attivi che controllano la demetilazione del DNA, in particolare le proteine TET che rappresentano un bersaglio cruciale per nuovi approcci terapeutici. Una libreria di dieci composti inibitori, analoghi non-nucleosidici, selettivi di TET2, è stata testata per la loro attività epigenetica e antifibrotica. Tra questi, negli esperimenti condotti sul fibroblasto cardiaco umano in condizioni ipossiche, almeno quattro composti hanno mostrato un significativo accumulo di metilazione globale del DNA e due di essi hanno mostrato una significativa riduzione dell'espressione di geni e proteine correlati alla fibrosi, rispetto al controllo, ripristinando i loro livelli alla condizione normossica. I fibroblasti cardiaci, per le loro caratteristiche, costituiscono un importante obiettivo nella ricerca sulla fibrosi; infatti, l'inibizione della sintesi di matrice extracellulare mediata dai fibroblasti è l'obiettivo principale degli approcci terapeutici antifibrotici. I nostri risultati presentano prove su un nuovo gruppo di molecole specifiche per la demetilazione del DNA che potrebbero diventare importanti strumenti per prevenire/ridurre la fibrosi cardiaca.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/15723