Systembiologie in der Ophthalmologie – innovative Wirkstoffidentifikation zur spezifischen Vermeidung postoperativer Fibrose

Abstract

Zusammenfassung Hintergrund Der Langzeiterfolg fistulierender Therapiekonzepte zur Behandlung des Glaukoms wird im Wesentlichen durch überschießende Vernarbungsreaktionen (Fibrose) limitiert. Zytostatika wie Mitomycin C können die Fibrose zwar verhindern, sind jedoch häufig mit Nebenwirkungen assoziiert. Spezifisch wirkende Antifibrotika sind derzeit nicht im klinischen Einsatz. Daher beschreibt diese Studie einen systembiologischen Ansatz, mit dem durch eine dedizierte Bioinformatik-Technologieplattform Wirkstoffe identifiziert und als Antifibrotikum repositioniert werden können. Material und Methoden Als Basis für den Wirkstoffidentifikationsprozess wurden differenzielle Genexpressionsdaten humaner Tenon-Fibroblasten (hTF) genutzt, die von unbehandelten hTF und von mit Transforming Growth Factor β1 (TGF-β1) stimulierten hTF („fibrotische Fibroblasten“) mittels Next-Generation Sequencing (NGS) erhoben wurden. Diese Daten wurden mit dem bioinformatischen Werkzeug „FocusHeuristics“ gefiltert. Im Vergleich mit der Connectivity-Map-Datenbank wurden der Fibrose entgegenwirkende Wirkstoffe identifiziert. Die Evaluierung eines potenziell erfolgversprechenden Wirkstoffs als Antifibrotikum wurde an hTF mittels indirekter Immunfluoreszenz in vitro durchgeführt. Ergebnisse Die Analyse der Genexpressionsdaten führte zur Identifikation mehrerer in fibrotische Prozesse involvierter Interaktionsnetzwerke von Genen bzw. Proteinen. Eines dieser Netzwerke beinhaltet das Zytokin Bone morphogenic Protein 6 (BMP6) sowie Interleukin 6 (IL6) und Fibroblast Growth Factor 1 (FGF1). Ein weiteres relevantes Netzwerk konnte rund um das CD34-Gen (CD34: Cluster of Differentiation 34) identifiziert werden. Der Vergleich dieser Daten mit denen der Connectivity Map ermöglichte die Identifikation eines entsprechend invers wirkenden Wirkstoffs. Dessen Evaluierung im fibrotischen Zellkulturmodell in vitro mittels indirekter Immunfluoreszenz führte zu einer deutlichen Expressionsreduktion der fibrotischen Markerproteine Fibronektin und Alpha-smooth Muscle Actin (α-SMA), womit die vorhergesagte antifibrotische Wirkung bestätigt werden konnte. Schlussfolgerung Systembiologische Ansätze können für die Identifikation von antifibrotischen Wirkstoffkandidaten zur Vermeidung postoperativer Fibrose genutzt werden und sollten sich über die Erfassung differenzieller Genexpressionsdaten weiterer okularer Zellen oder Gewebe auch auf andere ophthalmologische Anwendungsfelder transferieren lassen.

Suppression of the TGF-β pathway by a macrolide antibiotic decreases fibrotic responses by ocular fibroblasts in vitro

“…We then confirmed in vitro that JM indeed suppresses fibroblast proliferation and fibrotic marker expression in hTFs. We already described this suppression superficially, in a report in German language [16].…”

The Antibiotic Kitasamycin—A Potential Agent for Specific Fibrosis Preventing Therapy after Fistulating Glaucoma Surgery?

“…Hence, there is a growing interest in better characterizing the therapeutic effects of macrolides in mammalian cells to guide new applications in both cellular and clinical studies. In our own work, the macrolide JM was identified and evaluated as an antifibrotic agent and evaluated in vitro [ 19 , 20 ]. Based on these results, within this study, the antifibrotic potential of macrolide KM was evaluated in a TGF-β1-mediated fibrotic human fibroblast model system in vitro .…”

“…Based on the dose–response results, the evaluation of the antifibrotic effect of KM was then performed analogously to JM [ 19 , 20 ]. Based on the obtained results of the dose–response tests, KM concentrations ranging from 1 to 100 µM KM were used, since higher viability values than the control were detected using these concentrations after 24 h of incubation.…”

“…Recently, the macrolide antibiotic josamycin (JM) was identified as a fibrosis-counteracting agent using bioinformatics analysis based on the connectivity map database (CMap) for drug repositioning [ 19 , 20 ]. This was subsequently evaluated in a cell culture model in vitro , in which the addition of TGF-β1 induced a fibrosis-like state and the transformation of fibroblasts to myofibroblasts.…”