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Development of treatment strategies of chronic inflammatory disorders relies on on-going progress in drug discovery approaches and related molecular biologics. This study presents a gene reporter-based approach of phenotypic screening for anti-inflammatory compounds in the context of rheumatoid arthritis (RA).
CEBPD gene, used as the target gene for the screening readout, encodes CCAAT/enhancer binding protein delta (C/EBPδ) transcription factor (TF). Structural and regulatory characteristics of CEBPD gene as well as function of C/EBPδ TF in the context of inflammation satisfied assay requirements. C/EBPδ TF acts as a key regula-tor of inflammatory gene transcription in macrophages (Mϕ) and is observed to con-tribute to disease development in both a rodent model of RA and RA patient biopsies.
Despite well-described pro-inflammatory effects of C/EBPδ TF, it functions as a cell context-specific signal integrator showing also an anti-inflammatory activity. Conse-quently, both activation and inhibition of CEBPD alike may display a desired anti-inflammatory effect. The aim of this study was to develop a high-throughput screening assay for
CEBPD-modulating compounds and confirm hit compounds’ anti-inflammatory effects via gene expression analysis.
Generation and characterization of a multi-gene-reporter cassette 1.0 encoding enzy-matic secreted alkaline phosphatase (SEAP) gene reporter was a priority during the assay development. Chemiluminescent SEAP assay demonstrating high assay sensitivi-ty, broad linear range, high reproducibility and repeatability was chosen to monitor activity of the defined CEBPD promoter (CEBPD::SEAP). PMA-differentiated and M1-polarized THP-1-derived Mϕ stably expressing multi-gene-reporter cassette 1.0 were used as the assay’s cellular system. mRNA expression of both reporter CEBPD::SEAP and endogenous CEBPD mirrored each other in response to a LPS and IFN-g-triggered inflammatory stimulus (M1 treatment), even though the defined CEBPD promoter re-gion, utilized in the assay, contained only the most proximal and known regulatory se-quences. SEAP chemiluminescence in the reporter cells´ supernatant reliably correlat-ed with the M1 treatment-induced CEBPD::SEAP gene expression. The final screening protocol was developed for semi-automatic screening in the 384-well format.
In total, 2054 compounds from LOPAC®1280 and ENZO®774 libraries were screened twice
using the enzymatic SEAP readout with subsequent analysis of 18 selected compounds: nine with the highest and nine with the lowest signals, further characterized by qPCR. Gene expression levels of endogenous CEBPD, CEBPD::SEAP reporter as well as, IL-6,
IL-1β, and CCL2 as inflammatory markers were quantified. qPCR assays failed to corre-late to SEAP readout in 15 compounds within three standard deviations (SDs) from sol-vent control: nine low signal and six high signal compounds. Demonstrating both assay sensitivity and specificity, a correlation between qPCR gene expression and SEAP readout was observed for three hit compounds with signals above three SDs: BET inhib-itors (BETi) GSK 1210151A and Ro 11-1464 as well as an HDAC inhibitor (HDACi) vori-nostat. The control compound trichostatin A (TSA) that reproducibly upregulated SEAP readout is also an HDAC inhibitor with a similar structure to vorinostat and was there-fore included in the anti-inflammatory phenotype analysis.
The observed suppression of IL-6, IL-1ß, and CCL2 gene expression by hit compounds suggested their anti-inflammatory effect in THP-1 reporter Mϕ. mRNA expression of
IL-6 and CCL2 was suppressed by HDACi and BETi at both 4 and 24 hours, while BETi reduced IL-1β mRNA expression 24 hour time point. BETi significantly upregulated gene expression of both reporter CEBPD::SEAP and endogenous CEBPD, 4 hours after M1 treatment. At the same time point, HDACi completely abolished the mRNA expres-sion of the endogenous CEBPD, while simultaneously upregulating mRNA expression of the reporter CEBPD::SEAP. The use of the most proximal 300 base pairs region of en-dogenous CEBPD promoter, making the upstream regulatory elements unavailable in the assay, may account for differential expression levels of SEAP and C/EBPδ TF. This observation corroborated the need to include a longer and more extensive CEBPD´s gene regulatory area. Thus, an improved multi-gene-reporter cassette 2.0 was gener-ated to be used on the basis of a bacterial artificial chromosome (BAC) covering CE-BPD´s genomic area of about 200,000 base pairs.
The generated screening assay is flexible, reliable, and sensitive displaying potential for drug discovery and drug repurposing. The pharmacological modulation of CEBPD gene expression, first reported for GSK 1210151A, Ro 11-1464, and vorinostat, contrib-utes to the understanding of inflammatory responses in Mϕ and may have RA thera-peutic applications.
Kurz zusammengefasst waren die Ziele dieser Arbeit, die in vivo Untersuchung einer Hyperhomocysteinämie und spezifischer diätetischer Mikronährstoffe im Kontext der Alzheimer-Erkrankung. Zu diesem Zweck wurden zwei Krankheitsmodelle in den Mäusen induziert. Zum einen wurde eine Alzheimer-ähnliche Pathologie genetisch simuliert durch den Einsatz des neuen AppNL-G-F knock-in Modells, das im Zuge dieser Arbeit auch weiter charakterisiert wurde. Zum anderen wurde eine chronische Hyperhomocysteinämie in den Tieren induziert via Langzeit-Fütterung einer Spezialdiät, die defizient an den Vitaminen B6, B12 und Folat war, was sich durch erhöhte Werte der Aminosäuren Homocystein und Homocysteinsäure in verschiedenen biologischen Matrices der Mäuse wie Serum, Urin und Hirngewebe, bemerkbar machte. Durch die Kombination der Krankheitsmodelle wurden sowohl Aspekte einer familiären Alzheimer-Erkrankung (verstärkter Amyloid-β-Anabolismus im knock-in Modell) als auch ein potentielles Charakteristikum der sporadischen Form der Krankheit (erhöhte Homocystein-Spiegel) simuliert. Auswirkungen des AppNL-G-F Genotyps, einer zusätzlichen Hyperhomocysteinämie und potentiell vorteilhafter, oder gar präventiv wirksamer Mikronährstoffe wurden dabei mit Hilfe von diversen Verhaltensversuchen und ergänzenden ex vivo Analysen bewertet.
Trotz massiver cerebraler Amyloidose war lediglich ein milder Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit der AppNL-G-F Tiere im Vergleich zur gleichaltrigen Wildtyp-Kontrolle detektierbar. Dies weist zum einen auf die Subtilität des Mausmodells hin und zum anderen befeuert es die kontroverse, häufig geführte Diskussion um die zentrale Bedeutung der „Amyloid-Hypothese“ im Rahmen der komplexen Alzheimer-Pathologie. Die kognitiven Fähigkeiten der entsprechenden Mäuse verschlechterten sich auch nicht bei gleichzeitig signifikant erhöhten Homocystein- und Homocysteinsäurespiegeln, d.h. die Hyperhomocysteinämie hat in diesem Modell für familiären Alzheimer nicht kausal zur Verschlimmerung der induzierten Pathologie beigetragen sowohl hinsichtlich der kognitiven Leistung in diversen Verhaltensversuchen als auch hinsichtlich dem Schweregrad der cerebralen Amyloidose.
Zur Hyperhomocysteinämie, vor allem aber auch zur Rolle bestimmter diätetischer Interventionen in dem Kontext, findet man eine heterogene, teilweise konträre Literatur vor, insbesondere im klinischen Kontext. Die untersuchten diätetischen Ansätze in dieser Arbeit, bestehend aus hochdosierten B-Vitaminen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Betain und einer komplexeren Mikronährstoffkombination, zeigten ebenfalls keinen konsistenten Effekt auf Phänotyp und Amyloid-β-Menge in den Hirnen der Tiere. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien legen daher, zumindest in diesem Krankheitsmodell, keinen Wert als potentiell präventiven Ansatz der kognitiven Verschlechterung bei Alzheimer nahe.
Da die dieser Arbeit zugrundeliegenden in vivo Studien keine per se erhöhten, AppNL-G-F-assoziierten Homocysteinspiegel offenbarten, zeigte sich Homocystein nicht als Biomarker, zumindest für die in diesem Mausmodell simulierten Aspekte der komplexen Alzheimer-Pathologie. Neben den zuvor beschriebenen fehlenden Effekten der Hyperhomocysteinämie, konnten in dieser Arbeit jedoch auch statistisch signifikante Einflüsse sichtbar gemacht werden. Wie in der durchgeführten Kinetikstudie gezeigt, resultierte die Alzheimer-ähnliche Pathologie in einem signifikant höheren Schweregrad der ausgebildeten Hyperhomocysteinämie in den AppNL-G-F Tieren im Vergleich zur gleichaltrigen Wildtyp-Kontrolle. Folglich übte der gestörte Amyloid-β-Metabolismus, neben der B-vitamindefizienten Diät, einen zusätzlich verstärkenden Effekt auf den hyperhomocysteinämischen Status aus. Sowohl für knock-in-, als auch Wildtyp-Tiere konnte gezeigt werden, dass bei Beendigung der Karenz an Vitamin B6, B12 und Folat, die erhöhten Homocystein- und Homocysteinsäurespiegel innerhalb kurzer Zeit wieder auf Baseline-Niveau normalisiert werden können.
Weitere signifikante Effekte wurden detektiert bezüglich Erythrozyten-bezogener Parameter wie den Hämoglobingehalt im Blut der hyperhomocysteinämischen Tiere. Ein reduzierter Sauerstofftransport und die damit einhergehende verringerte Versorgung der Neuronen mit Sauerstoff in den entsprechenden experimentellen Gruppen deuten auf eine vornehmlich vaskuläre Wirkung hin im Hinblick auf Homocystein-bezogene Pathomechanismen, die potentiell zu einer Demenz beitragen. Solche Effekte können zusätzlich verstärkt worden sein durch die, in der durchgeführten Proteomanalyse gezeigte, Herunterregulierung angiogener Marker im Serum und in der Cerebrospinalflüssigkeit dieser Tiere. Eine Verringerung der kapillären Dichte im Hirn und ein verringerter cerebraler Blutfluss haben ein zusätzlich reduziertes Angebot an Sauerstoff und Glucose zur Folge und stellen einen Link zu eingeschränkter kognitiver Leistungsfähigkeit in Älteren und Alzheimer-Patienten dar. Translational relevant ist eine vaskuläre Wirkung von Homocystein auch dadurch, dass vaskuläre Demenz und Alzheimer in etwa 40% der Fälle koinzident sind und Homocystein in früheren Humanuntersuchungen eine größere Bedeutung bei der vaskulären Demenz im Vergleich zur Alzheimer-Erkrankung nahelegte.
Auch wenn in Summe die beschriebenen Effekte der Hyperhomocysteinämie nicht groß genug waren, um sich in phänotypischen Einschränkungen in den Tieren auszudrücken, so konnten in der hier vorliegenden Arbeit dennoch Details zur Rolle erhöhter Homocysteinspiegel für verschiedene biologische Prozesse aufgeklärt werden. Insbesondere die Funde der explorativen Proteomanalyse in Serum und CSF könnten Ansatzpunkte für weitergehende Untersuchungen darstellen und sollten in anderen präklinischen Krankheitsmodellen und/oder einer Humanstudie validiert werden.