Szívregenerációt segítő therápiás jelentőségű microRNS-ek feltérképezése Thymosin beta-4 segítségével
Angol cím
Thymosin beta-4, a Conductor to Identify Novel Therapeutic MicroRNA Targets in Cardiac Hypoxia
magyar kulcsszavak
Thymosin beta-4, microRNS, szívregeneráció
angol kulcsszavak
Thymosin beta-4, microRNA, cardiac regeneration
megadott besorolás
Klinikai gyógyszertan, génterápia, sejtterápia, regeneratív medicina (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
80 %
Klinikai gyógyszertan, génterápia, sejtterápia, regeneratív medicina (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
10 %
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
10 %
Ortelius tudományág: Molekuláris markerek és azonosításuk
zsűri
Klinikai Orvostudományok
Kutatóhely
Biokémiai és Orvosi Kémiai Intézet (Pécsi Tudományegyetem)
résztvevők
Bognár Zita Debreceni Balázs Gallyas Ferenc Kovács Krisztina
projekt kezdete
2013-09-01
projekt vége
2018-08-31
aktuális összeg (MFt)
27.996
FTE (kutatóév egyenérték)
5.00
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A szívmegbetegedéseket a világ vezető halálozási okai között tartjuk számon. Mivel a felnőtt emlős szív képtelen megfelelő regenerációra, a hatékonyabb, új therápiás módszerek kidolgozása létfontosságú. Bíztató megoldásnak ígérkezik az autholog, vagy idegen eredetű őssejtek alkalmazása. Sajnálatos módon a módszer hatásossága mindezideig kérdéses. A probléma alternatív megoldásaként feltételezzük, hogy bizonyos, a szervezetben természetesen is előforduló progenitor, vagy egyéb, más sejtek által szekretált, illetve kifejezett kismolekulák önállóan, vagy őssejtekkel kombinálva képesek a károsodott szívfunkció növelésére, és ezáltal a klinikai kimenetel javítására. Korábbi kutatásaink kimutatták , hogy Thymosin beta-4 (TB4), egy kis szekretált fehérje szívregeneráló hatású (Nature 2004). Infarktus után, intravénás adagolással a TB4 molekula gátolja az akut szívizomsejt elhalást, csökkenteti az inflammációt, serkenti a koronáriák növekedését és aktiválja az epikardiális progenitor sejteket. Legfrissebb kutatások bizonyítják, hogy a sejtekben megtalálható kis szabályozó RNS-ek (microRNS-ek) fontos szerepet játszanak a cardiovasculáris rendszer pathológiás folyamataiban. Ma már egyertelmű, hogy a microRNS-ek, illetve derivatívumaik közvetlen használata új lehetőségeket nyithat a szívbetegségek kezelésében. Figyelembe véve a TB4 molekula kimutatott pozitív therápiás hatásait, jelen pályázatunkban a TB4 indukálta microRNS változásokat kívánjuk mélyebb szinten megvizsgálni felnőtt hypoxiás emlősökben. Célunk új, a szív regenerációját segítő, illetve a folyamatokat finomszabályozó microRNSek feltérképezése és azok therápiás célú kifejlesztése.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A felnőttkori elhalálozások jelentős részéért a szív és érrendszeri megbetegedések felelnek. Alapvető probléma, hogy a károsult, illetve elhalt szívizomsejtek pótlására kifejlesztett eddigi módszereink nem elég hatékonyak. A hiányzó sejtek pótlására alkalmazott pluripotens sejtek helyett, vagy azok támogatására ezért alternatív megoldasként az egyszerü, intravénás adagolással is alkalmazható kismolekulák felhasználását javasoljuk. Korábbi eredményeink szerint az ilyen a kismolekulák képesek javítani a szívfunkciót felnőtt emlősökben.
Jelen kutatási tervezetünk céljai a következők:
1. A TB4 molekula által felnőtt emlősökben indukált microRNS változások feltérképezése, valamint az adott microRNS-ek által szabályozott targetfehérjék és az azokhoz kapcsolódó szignáltranszdukciós útvonalak meghatározása. Kutatásaink során a microRNS-ek kifejeződését oxigén mentes szövetkörnyezetben, TB4 kezelés mellett, vagy anélkül microarray felhasználásával tervezzük vizsgálni, valamint a feltételezett célfehérjék változásait, és ezek hatásait molekuláris szinten bizonyítani.
2. A TB4 szabályozott microRNS-ek által indukált in vitro és in vivo biológiai és funkcionális változások meghatározása. Kísérleteinkben első lépésként a microRNS jelöltek therápiás szintű derivátumait (antagomir-ek és mimikumok) kívánjuk megszintetizálni, majd ezek biológiai hatásait in vitro embrionális explantátumokon, illetve in vivo post-infarktusos felnőtt rágcsáló és sertés modellekben tesztelni.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A világon előforduló halálozások egyik vezető oka a szív coronária ereinek elzáródását követő szövetelhalás. Európa és az Egyesült Államok területén évente körülbelül nyolc millióra tehető a szívelégtelenségben újonnan megbetegedett egyének száma. Ez a mutató évről évre drámai mértékben növekszik. Mivel a szív képtelen megfelelő regenerációra, a szívinfarktust túlélő betegek többége chronikus szívelégtelenségben szenved. A felnőttkori eseteken túlmenően, a fertőző betegségek mellett a szívmegbetegedések felelősek az egy éves koron belüli elhalálozások jelentős részéért is. Ezen adatokat figyelembe véve a szívbetegségek kialakulásának megelőzésére, illetve megértésére irányuló kutatásoknak messzeható népegészségügyi jelentősége van. A napjainkban egyre jobban terjedő modern cardiológiai kutatási irányzatok az embrionális fejlődési folyamatok során természetesen végbemenő változások újraindításával igyekeznek a felnőtt szervezet szívizom és érrendszerének regenerációját elősegíteni. Ezen megközelítés értelmében a fenti folyamatokat egyidejűleg elősegítő molekulák felfedezése és átfogó vizsgálata messzemenő therápiás jelentőséggel bír. Jelen pályázatunkban feltételezzük, hogy kis szekretált fehérjék egyéb kismolekulákkal, például microRNS-ekkel való kombinációs alkalmazása szignifikáns hatással van a szövetregenerációra és az őssejt transzformációra, és ennek megfelelően therápiás alternatívaként alkalmazhatók. Tudományos viszgálataink kivitelezési mentét a laboratóriumi munkapadtól a betegágyig tervezzük. Célunk a megismert és vizsgált kismolekulák sejten belüli in vitro, és állati in vivo regenerációs hatásainak átmentése a humán szív- és érrendszeri betegségek gyógyászati alkalmazásának szintjére.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A szív és érrendszeri betegségeket a vezető halálozási okok között tartjuk számon az egész világon. Nagymértékű tudományos erőfeszítéseink ellenére még mindíg nincs a kezünkben a gyógyítás megoldásának kulcsa. Az egyik lehetséges therápiás megoldás az úgynevezett őssejtek szívbe való bejuttatása, remélve, hogy működőképes szívizomsejtekké alakulnak át a megfelelő környezetben. A módszer azonban technikailag rendkívül körülményes. Az új átalakult sejtek valamelyest képesek ugyan a szívfunkció javítására, de izolálásuk nehézkes és a szervezet immunrendszerének drasztikus elnyomását (szupresszióját) igénylik. Az őssejttherápia alternatívájaként előzetes sikeres kutatásaink azt mutatják, hogy bizonyos rövid, a szervezet saját sejtei által kiválasztott fehérjék segíthetik a szövetregenerációt. Mindemellett számos új eredmény utal arra is, hogy kis ribonukleinsav (RNS) molekulák (microRNS-ek) is javíthatják a károsodott szív funkcióját intravénás adgolással felnőtt egerekben. Fontos megemlítenünk, hogy mindkét molekula típus egyidejűleg képes a szívben található őssejtek aktiválására is. Mindezen eredményeket figyelembe véve feltételezzük, hogy a kis fehérjék és microRNS-ek kapcsolatának megértése, valamint az általuk indukált mechanizmusok mélyreható elemzése szignifikáns értékű lehet. Elképzeléseink szerint kutatásaink olyan új therápiás jelentőségű molekulák felfedezéséhez vezethetnek, amelyek csökkenteni képesek a szívbetegségek okozta halálozások tragikusan magas számát.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Hypoxic heart disease is a predominant cause of disability and death worldwide. Since the adult mammalian heart is incapable of regeneration after hypoxia, the discovery of novel ways to initiate cardiac repair is critical. The concept of using transplanted cells has found tremendous support, but its clinical efficacy is still controversial. We hypothesize that the use of small molecules independently or in combination with cellular therapy could significantly enhance clinical outcome.
Our previous results show that a short secreted peptide, Thymosin beta-4 (TB4), has outstanding cardioprotective properties when injected systemically into adult mammals after hypoxic events. It inhibits acute myocardial cell death, suppresses inflammation, initiates coronary vascular re-growth and activates epicardial progenitor cells in the heart.
Recent investigations suggest that small regulatory RNAs (microRNAs or miRNAs) play a significant role in pathological processes of the cardiovascular system, and the direct use of miRNA derivatives could offer new therapeutic strategies to treat heart disease.
Considering the cardio protective effects of TB4 we propose to investigate TB4 initiated miRNA alterations in adult mammals in vivo. Our goal is to identify novel therapeutic miRNA targets to enhance and fine tune tissue regeneration after heart attacks and other myocardial diseases.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Cardiovascular disease is one of the main causes of death in adults. Today's fundamental therapeutic problem is that our current methods are incapable of efficient heart tissue replacement after damage. As an alternative to progenitor cell therapies we suggest the use of secreted or expressed small molecules to heal the heart. Our previous studies indicate these molecules are capable of increasing cardiac function via simple intravenous administration.
The specific aims to be addressed in this proposal include:
1. We propose to determine miRNAs altered by systemic TB4 administration in adult mammals after hypoxia in vivo and to identify the underlying molecular candidates and pathways that are governed by their expression. We will investigate the regulation of miRNAs in oxygen-starved tissue with or without TB4 treatment by microarray and confirm and analyze the alterations of predicted protein targets.
2. We aim to define the in vitro and in vivo biological and functional changes initiated by TB4 altered miRNAs. We will synthesize derivatives (antagomirs or mimics) of miRNA candidates and test their biological function in vitro on embryonic cardiac explants and in vivo on adult rodent and porcine models of cardiac infarction.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Heart failure is a consequence of an injured or diseased heart undergoing pathological remodeling to match cardiac output with the metabolic needs of the body. 8 million people are confirmed with heart failure in Europe and the USA combined. With few exceptions the prognostic benefits of current treatments are limited, resulting in high rates of morbidity and mortality. While more commonly affecting adults, heart disease in children is the leading non-infectious cause of death in the first year of life and often involves abnormalities in cardiac cell specification, migration or survival. Due to the frequency and severity of ischemic heart disease, it is not surprising that the management of patients with this type of cardiac failure receives significant interest.
The fundamental problem in myocardial infarction and congestive heart failure is an insufficient number of properly functioning cardiomyocytes. Recent evidence suggests that a population of extracardiac or intracardiac stem cells may contribute to the maintenance of cardiomyocyte population under normal circumstances. While the stem cell population may maintain a delicate balance between cell death and cell renewal, it is insufficient for myocardial repair after acute coronary occlusion. Technical hurdles of stem cell delivery and differentiation have thus far prevented broad clinical application of cardiac regenerative therapies.
Regulatory pathways involved in cardiac development may have utility in re-programming cardiomycytes to aid in cardiac repair. As an alternative to stem cell therapy we hypothesize that small, secreted peptides together with other small molecules such as microRNAs are alternatives for tissue repair stimulation. These molecules are believed to modulate the activation of resident cardiac stem/progenitor cell populations. Moreover, a systematic approach to reveal and understand the molecular mechanisms actuated by such molecules will benefit the design of novel therapeutic agents for the pharma to promote cardiac repair and regeneration in adults and children.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Cardiovascular disease is one of the main causes of death worldwide. Despite our tremendous efforts we still do not have the proper tools to regenerate the damaged heart after injury.
One approach to heal the heart is to inject stem cells into the tissue hoping they transform to functionally active cardiomyocytes. This method is however technically challenging. Introduction of isolated stem cells may improve myocardial function, but it requires isolation of own stem cells or use of donor stem cells along with immunosuppression.
As an alternative to stem cell therapy we found that small, secreted peptides or their derivatives may also stimulate tissue repair. In addition, recent investigations revealed a therapeutic potential for small ribonucleic acid (RNA) molecules (microRNAs) to heal the damaged heart by intravenous injection in mice. Importantly, both molecules are capable to modulate the activation of resident cardiac stem/progenitor cell populations.
Taking these observations, a systematic approach to investigate and understand connections and mechanisms actuated by functionally active small peptides and microRNAs is significant. We predict our research will benefit the design of novel therapeutic agents to promote cardiac repair and regeneration in adults and children in the future.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A szívinfarktus a nyugati világ vezető halálokai között szereplő megbetegedések egyike. Napjainkban számos kutatás folyik olyan új megoldások felfedezésére, amik az oxigénhiány következtében károsodott szív “megjavítására” irányulnak. A ma divatos őssejtek alkalmazása ígéretes módszernek tűnik, ugyanakkor a technikai kivitelezés még sok kívánnivalót hagy maga után. Jelenlegi kutatások alapján leggyakrabban nem is maguk az őssejtek, hanem az általuk kibocsátott, u.n. szekretált faktorok felelősek a gyógyulásért. Korábbi munkánk során bebizonyítottuk, hogy a Thymosin beta-4 (TB4) nevű fehérje csökkenti az elhaló szívsejtek számát és ezzel egyidőben számos védő folyamatot is képes beindítani felnőtt emlős szívben. Jelen pályázatunk elsődleges célja a TB4 peptid által kiváltott molekuláris mechanizmusok, illetve a potenciális „végrehajtó” molekulák felderítése volt. Kísérleteinkben a TB4 által befolyásolt kis nem kódoló RNS molekulák, az u.n. microRNS-ek (miRNS) meghatározására törekedtünk. A miRNS-ek szívregenerációt befolyásoló hatását ugyanis egyre több tudományos eredmény is alátámasztja. Munkánk során azt találtuk, hogy a TB4 molekula megközelítően 120 miRNS kifejeződését változtatta meg. Ebbe a listába tartozik három ismeretlen miRNS család, valamint egy klinikai szempontból különösen érdekes miRNS, melynek szívbeni jelenléte bizonyított. Reményeink szerint munkánk eredménye ezen molekulák terápiás felhasználásával további gyógyszerkutatásokhoz ad alapot a jövőben.
kutatási eredmények (angolul)
Cardiac infarction is one of the leading cause of death in the western world. Numerous studies have been lunched towards discovering novel ways to repair the damaged adult heart. Utilization of progenitor cells may be promising, but restricted by technical hurdles. Recent results suggest not the transformed stem cells, but the actual molecular factors secreted by the injected progenitors may be responsible for the potential tissue protection. In our laboratory we discovered, a short secreted protein, Thymosin beta-4 inhibits cellular death and initiates numerous organ protective mechanisms when injected systemically following cardiac hypoxia in adult mammals. The primary aim of this grant proposal was to determine and identify the underlying molecular mechanisms and possible executors of the observed positive effects of the peptide. In our studies we focused on identifying small non-coding RNA molecules, so called microRNAs (miRNAs) altered by TB4. There is an emerging evidence that miRNAs may play an important role in the pathogenesis of heart failure. We found the peptide affected the expression of about 120 miRNAs. That included three miR families with potential interest and confirmed heart expression. One miR was especially interesting, since it revealed a novel mechanism for the peptide and predicted a potential direction of our discoveries towards future industrial utilization.
Hinkel R, Ball HL, DiMaio JM, Shrivastava S, Thatcher JE, Singh AN, Sun X, Faskerti G, Olson EN, Kupatt C, Bock-Marquette I.: C-terminal variable AGES domain of Thymosin β4: the molecule's primary contribution in support of post-ischemic cardiac function and repair., J Mol Cell Cardiol. Oct;87:113-25., 2015
Attila L. Pahi; Ildiko Bock-Marquette: Thymosin β-4, a conductor to identify novel therapeutic microRNA targets in cardiac hypoxia, PTE, 2015
Rabea Hinkel , Haydn Ball , J. Michael DiMaio, Gabor Faskerti , Jeffrey E. Thatcher, Eric N. Olson , Christian Kupatt , Ildiko Bock-Marquette: The role of Thymosin β4 domains in cardiac cell migration and repair, ESC Congress, 2014
Bock-Marquette Ildiko: Kismolekulak szerepe a szivregeneracioban, Abstract book/oral presentation/MET, 2015
Ildiko Bock-Marquette: The effect of Thymosin β4 domains on post-hypoxic cardiac regeneration and repair, Abstract book/ BIT-AICC, Barcelona / oral presentation, 2016
Hinkel R, Ball HL, DiMaio JM, Shrivastava S, Thatcher JE, Singh AN, Sun X, Faskerti G, Olson EN, Kupatt C, Bock-Marquette I.: C-terminal variable AGES domain of Thymosin β4: the molecule's primary contribution in support of post-ischemic cardiac function and repair., J Mol Cell Cardiol, 2015
