Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2775
Authors: Wang, Xiaoyu
Title: Dipeptidyl peptidase 4 inhibitors and glucagon-like peptide-1 receptor agonist mitigate inflammation and fibrosis in models of non-alcoholic steatohepatitis and biliary fibrosis
Online publication date: 4-Jan-2017
Language: english
Abstract: Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) ist mittlerweile die häufigste Ursache chronischer Lebererkrankungen. 10-15% aller NAFLD-Patienten zeigen das klinische Bild der nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH), welches durch Steatose, Apoptose von Leberzellen, Leberentzündung, und Fibrosierung charakterisiert ist und ein großes Risiko einer Leberzirrhose und der malignen Progression zu primärem Leberkrebs birgt. Morbidität und Mortalität sind in den Frühstadien der NAFLD/NASH größtenteils auf Komplikationen eines metabolischen Syndroms zurückzuführen. Detaillierte Studien zu effektiven Therapeutika, die die chronische Leberentzündung und –fibrose sowiedas metabolische Syndrom adressieren, existieren kaum. Das Inkretin Glucagon-like Peptide-1 (GLP-1) wird nach der Nahrungsaufnahme von intestinalen L-Zellen, den α-Zellen der Bauspeicheldrüse und den Neuronen des Tractus solitarius des zentralen Nervensystems (ZNS) sezerniert. Während GLP-1 im ZNS die Nahrungsaufnahme kontrolliert, stimuliert intestinales GLP-1 die Insulinsekretion der Bauspeicheldrüse und verhindert die Glukagon-Freisetzung über den GLP-1-Rezeptor (GLP-1R), was zu einer verbesserten Insulinsekretion der Bauchspeicheldrüse und Glukose-Aufnahme in die Leber, dem Fettgewebe und den Muskeln führt, ein Mechanismus, der wiederum die diabetogene hepatische Glukoneogenese reduziert. Um die Wirkung von GLP-1 pharmakologisch zu modulieren, gibt es verschiedene Optionen: Einerseits kann mit Hilfe von GLP-1-Mimetika die Wirkung von GLP-1 am GLP-1R verstärkt werden, andererseits kann die proteolytische Wirkung der Dipeptidylpeptidase-4 (DPP-4), welche ubiquitär auf Zelloberflächen exprimiert ist und GLP-1 enzymatisch abbaut, pharmakologisch gehemmt werden. Tatsächlich werden GLP-1-Mimetika und DPP-4-Hemmer bereits zunehmend für die Behandlung des Typ 2 Diabetes (T2D) eingesetzt. Darüber hinaus zeigten Tiermodelle, daß GLP-1 Mimetika und DPP-4 Hemmer eine anti-entzündliche und anti-oxidative Wirkung besitzen. Studien zur Erforschung von GLP-1 Mimetika und DPP-4 Hemmern bei NAFLD und NASH beschränkten sich jedoch bisher auf ihren Einfluß auf die Apoptose von Hepatozyten und die Steatose der Leber. Es gab bisher jedoch keine Untersuchungen über ihren Einfluß auf die zentralen Mechanismen der Entzündung und Fibrose. U.a. war ist nicht bekannt, ob und auf welche Weise GLP-1 Mimetika und DPP-4 Hemmer die Polarisierung von Makrophagen, zentrale Zellen in der Pathogenese von NAFLD/NASH und dem metabolischen Syndrom, beeinflussen. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde eine detaillierte in vivo Studie zur therapeutischen Wirkung und zugrunde liegende Mechanismen der zwei bereits klinisch eingesetzten DPP-4-Hemmer Linagliptin und Sitagliptin durchgeführt und darüber hinaus die therapeutische Wirkung des lang-wirksamen GLP-1R-Agonisten Bydureon (BY) untersucht. Um diese Wirkstoffe in Tiermodellen zu testen, welche die bei Patienten gefundene Pathologie der fortgeschrittenen NASH widerspiegeln, wurde sowohl das Methionin- und Cholin-defiziente (MCD) Diätmodell der akuten lipo-apoptotischen Leberschädigung als auch das Mdr2-/- Mausmodell der biliären Leberfibrose eingesetzt. Ferner wurde die Rolle von pro- versus anti-inflammatorischen Makrophagen/Monozyten während der Initiation und der Progression der NASH untersucht und es konnte in dieser Arbeit erstmals eine direkte mechanistische Beziehung zwischen der therapeutischen Regulierung der GPL-1-Aktivität, NASH und der Makrophagen/Monozyten-Polarisation hergestellt werden. Die MCD Mäuse entwickelten eine ausgeprägte Hepatosteatose, Entzündung, Apoptose und Fibrose verglichen mit den Methionine-Choline suffizienten (MCS) Kontrolltieren. Hierbei erwies sich der Einsatz des MCD Modells, welches keine Insulinresistenz entwickelt, eine wichtige Komorbidität der humanen NASH, als vorteilhaft, da damit indirekte Effekte der GLP-1-Pharmaka auf die NASH (über eine Verbesserung der Insulinresistenz) von einer direkten Wirkung auf die hepatische Entzündung/Entzündungszellen und die Leberfibrose zu separieren. . Die hier durchgeführte Studie lieferte deutliche Hinweise auf eine effektive therapeutische Wirkung der beiden getesteten DPP-4-Inhibitoren und des GLP-1R Agonisten auf die Monozyten-Makrophagen-Infiltration und Polarisierung, die Hepatozyten-Lipoapoptose und sekundär die Leberfibrose. Ferner an Mdr2-/- Mäusen ein direkter sowie ein über Makrophagen vermittelter anti-fibrotischer Effekt nachgewiesen werden. Die Arbeiten zeigten auch, daß dieser therapeutische Effekt der DPP-4-Inhibitoren klassenspezifisch ist, da Linagliptin und Sitagliptin bei allen durchgeführten Untersuchungen ähnliche wirksam waren. Die Analyse der M1- vs M2-Makrophagen in den beiden in vivo Mausmodellen belegte darüber hinaus erstmals eine zentrale mechanistische Rolle der Makrophagen polarisiertung bei der Leberentzündung und fibrose. So induziert die vermehrte GPL-1-Aktivität eine anti-entzündliche und anti-fibrotische M2-Makrophagen-Polarisation. . Arbeiten anderer Gruppen hatten bereits gezeigt, daß der GPL-1R auf unterschiedlichen Zelltypen exprimiert wird und daß die GLP-1/GLP-1R Signalkaskade über PI3K und cAMP vermittelt werden kann. Allerdings wurden bisher keine Studien, die eine mögliche Assoziation zwischen GLP-1/GLP-1R und dem JNK/ERK1/2 Signalweg untersuchten, durchgeführt. Unsere ursprüngliche Arbeitshypothese, daß die agonistische Verstärkung der GPL-1 Funktion durch BY zu einer M2-Makrophagen-Polarisation führt, welche die Entzündung der Leber und die Fibrogenese dämpft, mit der Aktivierung des JNK/ERK1/2 Signalweges assoziiert ist, konnte durch die hier durchgeführten Experimente bestätigt werden. Zusammenfassend zeigen die hier beschreibenen in vivo Ergebnisse erstmals, daß die DPP-4-Hemmer Linagliptin und Sitagliptin und der lang-wirksame GLP-1 Agonist BY in Mausmodellen der NASH und Leberfibrose die Lebersteatose, Hepatozyten-Lipoapoptose, die Entzündung inhibieren und gleichzeitig eine geringe direkte anti-fibrotische Wirkung besitzen. Die hier dokumentierte enge mechanistische Verknüpfung zwischen GPL-1/GPL-1R-Modulation, M2-Makrophagenpolarisierung, NASH und Fibrogenese belegen somit, daß DPP-4-Hemmer und GPL-1-Agonisten vielversprechende pharmakologische Kandidaten zur Behandlung von NASH und zur Therapie der assoziierten Leberfibrose. Diese günstigen Effekte der direkten und indirekten GLP-1-Pharmaka bereichern neben den bekannten Wirkungen auf Typ 2 Diabetes und das metabolische Syndrom, beide Komorbiditäten der NASH, das medikamentöse Armamentarium für diese wichtige Lebererkrankung.
Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is currently the most common cause of chronic liver disease. 10-15% of patients with NAFLD present with non-alcoholic steatohepatitis (NASH), characterized by hepatocyte apoptosis, severe liver inflammation, steatosis, and fibrosis, with a high risk of progression to cirrhosis and primary liver cancer. Notably, morbidity and mortality in earlier stages of NAFLD/NASH are largely due to complications of the metabolic syndrome. However, studies that explore therapeutic modalities that address both liver inflammation and the metabolic syndrome are limited. The incretin glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is secreted postprandially from intestinal L-cells, pancreatic α-cells and from neurons of the caudal solitary tract. While it controls food intake in the central nervous system (CNS), intestinal GLP-1 stimulates pancreatic insulin secretion and inhibits glucagon release via the GLP-1 receptor (GLP-1R) leading to improved insulin signaling and glucose uptake in liver, adipose tissue, and muscle which in turn reduces hepatic gluconeogenesis. Options for pharmacological modulation of GLP-1 function include GLP-1 mimetics that directly increase the action of GLP-1, or alternatively the inhibition of the ubiquitously expressed cell surface enzyme dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) that induces the proteolytic inactivation of GLP-1. GLP-1 mimetics and DPP-4 inhibitors are increasingly used to manage type 2 diabetes (T2D). In animal models of NAFLD and NASH, GLP-1 mimetics and DPP-4 inhibitors have anti-inflammatory and anti-oxidative effects. However, till now in vivo liver studies with DPP-4 inhibitors and GLP-1R agonists were largely limited to hepatocyte damage or steatosis and in-depth studies of liver inflammation and fibrosis with these agents are generally missing. Moreover, the assessment of GLP-1 mimetics and DPP-4 inhibitors on macrophage polarization has not been properly addressed. Here, I present a detailed in vivo study of two major DPP-4 inhibitors (Linagliptin and Sitagliptin) and also the long-acting GLP-1R agonist Bydureon (BY). The therapeutic efficacy of these agents was tested using the methionine choline deficient (MCD) diet model of severe lipoapoptotic liver injury, and the Mdr2-/- model of biliary fibrosis, both of which represent key pathologies of advanced NASH. Moreover, I determined the distinct role of pro-inflammatory versus anti-inflammatory monocytes/macrophages in vitro and during initiation and progression of liver damage in vivo, and thus established a mechanistic link between macrophage polarization and disease activity. MCD mice developed pronounced hepatic steatosis, inflammation, fibrosis and apoptosis compared to methionine and choline sufficient (MCS) controls. Here, the use of the MCD model which lacks insulin resistance, an important comorbidity in human NASH, proved advantageous, since it rules out insulin resistance/T2D as an indirect contributor to vascular inflammation and endothelial dysfunction, which is relevant in view of the current discussion if and how far the liver, the pre-diabetic/diabetic state, or both need to be addressed to treat the disease. The here presented study provides clear evidence for a beneficial role of DPP-4 inhibitors and the GLP-1R agonist BY in the treatment of key aspects of NASH (monocyte-macrophage infiltration and unfavorable polarization, hepatocyte lipoapoptosis) and resultant liver fibrosis. In addition, these therapies ameliorated hepatic inflammation and exerted a modest direct anti-fibrotic effect, as demonstrated in the Mdr2-/- model of biliary fibrosis. Interestingly, my data demonstrated that the beneficial actions of DPP-4 inhibitors are a class effect, since Linagliptin and Sitagliptin showed similar efficacy across all parameters measured. Moreover, the analysis of M1 and M2 macrophage subtypes in the NASH and Mdr2-/- models, revealed for the first time a mechanistic role of these populations in hepatic inflammation and fibrosis. In particular, I found that GLP-1R agonist action induced the activation of M2 macrophage polarization, which was associated with anti-inflammatory effects, wound repair and angiogenesis. Moreover, the therapeutic benefit of the BY GLP-1R agonist was closely associated with inhibition of unfavorable JNK/ ERK1/2 signaling. Therefore, this study provides the first evidence that GLP-1/GLP-1R activation via inhibition of JNK/ ERK1/2 activation induce a beneficial M2-macrophage polarization. Taken together, this work shows that DPP-4 inhibitors and GLP-1R agonists decrease overall liver steatosis, (macrophage-mediated) inflammation and apoptosis in a rodent model of sever NASH and exert modest intrinsic anti-fibrotic properties. These findings demonstrate a close mechanistic link between GPL-1/GPL-1R modulation, M2 polarization and fibrosis and qualify DPP-4-inhibitors and GLP-1R agonists as promising drugs for the treatment of NASH and the prevention of liver fibrosis. These extend the beneficial effect of gliptins and direct GLP-1 agonists towards NASH, drugs that are effective in patients with T2D and the metabolic syndrome, both comorbidities of most patients with this important chronic liver disease.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2775
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009232
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 101 Blätter
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