Molecular and functional characterization of biglycan during pathologic cardiac remodelling

Remodelling der extrazellulären Matrix (EZM) nach Myokardinfarkt (MI) ist auf der einen Seite verantwortlich für die Ausbildung eines stabilen Narbengewebes kann aber auf der anderen Seite zu pathologischen Veränderungen führen, welche die Herzfunktion nachträglich beeinträchtigen. Das kleine Leucin reiche Proteoglykan Biglykan (bgn) ist maßgeblich an diesem Prozess des Remodelling beteiligt. Nach MI differenzieren kardiale Fibroblasten zu Myofibroblasten. Myofibroblasten produzieren und reorganisieren die EZM und kontrahieren das Gewebe. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen welche Rolle Biglykan für den Phänotypen kardialer Fibroblasten spielt. Kardiale Fibroblasten wurden aus Herzen von Wildtyp (WT) und biglykan-defizienten (bgn-/0) Mäusen isoliert. Bgn-/0-Fibroblasten zeigten einen deutlich pro-proliferativen Phänotyp. Dieser pro-proliferativen Phänotyp konnte sowohl durch eine WT-EZM als auch durch die lentivirale Transfektion mit einem Biglykanexpressionsvektor kompensiert werden. Die Charakterisierung der Biglykan defizienten Fibroblasten zeigte, das diese eine gesteigerte Expression von EZM vernetzenden Enzymen, Matrix Metalloproteinasen sowie des TGF-β Rezeptors II und CD44 haben. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen konnte eine erhöhte Phosphorylierung von SMAD2 und ERK1/2 gezeigt werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, das die Behandlung der kardialen Fibroblasten mit einem neutralisierenden Antikörper gegen TGF-β zu einer Reversion des pro-proliferativen Phänotyps der bgn-/0-Fibroblasten führte. Bgn-/0-Fibroblasten zeigten die für eine Differenzierung zu Myofibroblasten charakteristische Inkorporation von alpha-smooth muscle Actin (α-SMA) in Stressfasern, eine erhöhte Expression fokaler Adhäsionen und einer gesteigerten Kollagen Gel Kontraktion. Interessanterweise zeigten bgn-/0-Fibroblasten eine erhöhte Apoptose unter normalen Zellkulturbedingungen. In vivo konnte gezeigt werden, das in WT-Mäusen die Expression von α-SMA an Tag drei nach MI am höchsten ist. Bemerkenswerterweise war bei den bgn-/0-Mäusen die Expression von α-SMA zusätzlich noch starker erhöht, was die Schlussfolgerung zulässt das die Biglykan Defizienz die Proliferation und Differenzierung von Myofibroblasten auch in vivo nach MI reguliert. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass die Differenzierung zu Myofibroblasten durch eine erhöhte Expression des Dystrophin assoziierten Protein Komplexes in vitro und in vivo begleitet wird. Die Hochregulation des Dystrophin Komplexes resultierte jedoch nicht in einer Induktion der nNOS Expression nach MI. Diese Daten unterstützen die Hypothese das bgn-/0-Fibroblasten spontan in Myofibroblasten differenzieren und alle charakteristischen Eigenschaften dieser aufweisen, aber hinsichtlich der Schlüsselfunktionen dieser Zellen gestört sind, was zu einer erhöhten Apoptose, verschlechterter Hämodynamik und fehlerhaften Narbenbildung führt. Schlussfolgernd deuten diese Ergebnisse eine inhibitorische Rolle von Biglykan während der Proliferation und Differenzierung kardialer Myofibroblasten an, die durch eine erhöhte Sensitivität gegenüber endogenem TGF-β und SMAD2 Signalling begründet ist.After myocardial infarction (MI) extracellular matrix (ECM) remodelling is on the one hand required for the formation of stable scar tissue but on the other hand can turn into pathologic remodelling. The small leucine-rich proteoglycan (SLRP) biglycan (bgn) has been shown to be critically involved in these processes. During post-ischemic remodelling cardiac fibroblasts differentiate into myofibroblasts which are the main cell type mediating ECM remodelling and scar contraction. Aim of the present study was to characterize the role of biglycan for the phenotype of cardiac fibroblasts. Cardiac fibroblasts were isolated from hearts of wild-type (WT) versus bgn-/0- mice. Phenotypical characterization of the bgn-/0-fibroblasts revealed increased proliferation that was suppressed to WT-level by WT-cell-derived ECM and by lentiviral restoration of biglycan expression. Characterization of bgn-/0-fibroblasts revealed increased expression levels of ECM crosslinking enzymes, as well as CD44 and TGF-βRII. In line with these results the phosphorylation of SMAD2 and ERK1/2 was increased and administration of neutralizing antibodies to TGF-β reversed the pro-proliferative phenotype. Furthermore, bgn-/0-fibroblasts were characterized by increased alpha-smooth muscle actin (α-SMA) incorporated into stress fibres, increased expression of focal adhesions and increased contraction of collagen gels, indicative for differentiation into myofibroblasts. Surprisingly, bgn-/0-fibroblasts showed increased apoptosis under normal conditions. In vivo in WT-hearts the time course of α-SMA expression post MI showed peak levels at 3 days. Of note in bgn-/0-mice the increase of α-SMA was markedly enhanced suggesting that biglycan deficiency also promotes myofibroblast proliferation and differentiation in vivo post MI. For the first time it was shown that myofibroblast differentiation caused by biglycan deficiency was accompanied by increased expression of the dystrophin associated protein complex in vitro and additionally in vivo. Importantly an up-regulation of the DAPC did not correlate with an induction of nNOS expression post infarction. This data support the hypothesis that bgn-/0-fibroblasts differentiate to myofibroblasts and exhibit characteristic features of this specialized cell type, but fail with respect to key functions, which results in apoptosis, impaired scar formation and disturbed hemodynamic function after MI. In conclusion these data point to an inhibitory role of biglycan during cardiac myofibroblasts proliferation and differentiation possibly due to increased sensitivity to endogenous TGF-β and SMAD2 signalling