Pharmacological and toxicological characterisation of GATA4- and protein kinase C-targeted compounds in cardiac cell models

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7255-6
Title: Pharmacological and toxicological characterisation of GATA4- and protein kinase C-targeted compounds in cardiac cell models
Author: Karhu, Tuuli
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmacology and Pharmacotherapy
Doctoral Programme in Drug Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-05-22
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7255-6
http://hdl.handle.net/10138/329583
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Heart failure is a common costly disease that remains one of the leading causes of mortality in the world. Current treatments benefit heart failure patients by relieving the symptoms and improving the quality of life; however, they do not provide a cure for the disease. The adult human heart has a very limited capacity to regenerate cardiomyocytes. Therefore, following cardiac injury, the cell loss results in the formation of a fibrotic scar and consequent remodelling process, which includes thickening and stiffening of the ventricular wall. Eventually, this leads to impaired cardiac function. The fundamental goal of heart failure therapy is to restore the cardiac function and to prevent the pathological remodelling process. The transcription factor GATA4 plays an important role in cell survival, myocardial regeneration, and cardiomyocyte hypertrophy, and is therefore considered as an attractive drug target for cardiac repair. On the other hand, several studies have suggested that protein kinase C (PKC) plays a role in cardiac fibrosis. However, the results are conflicting and the role of PKC specifically in cardiac fibroblasts is unclear. Early drug discovery projects have traditionally used immortalized cell lines and primary cells from experimental animals to assess the effects of novel compounds. The translatability of the results from these models to human, however, is limited. Today, the emergence of the human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology allows for the production of human-based cell models, which more closely resemble the physiological cell types. The aim of this thesis project was to characterise pharmacological and toxicological effects of small molecules targeted to GATA4 or PKC, to compare different cell models in in vitro compound testing, and to establish a chronic cardiotoxicity model using human-based cardiomyocytes. In the study, nine different cell models were utilised, including hiPSCs, cardiomyocytes derived from hiPSCs, cardiomyocytes isolated from neonatal rats, and cardiac fibroblasts isolated from adult mice. The effects of the small molecules on cell viability, proliferation, and morphology were investigated using colorimetric cytotoxicity assays, immunocytochemistry, and high-content analysis (HCA). The effects on gene expression, protein levels, and cellular kinase activity were studied using the quantitative polymerase chain reaction (qPCR), western blotting, and AlphaLISA® technology, respectively. The toxicity screening of GATA4-targeted compounds revealed a characteristic molecular structure that is predominantly responsible for the toxic outcome in hiPSCs, which proved to be the most sensitive screening tool to identify toxicity. The results also demonstrate that long-term low-dose exposure of hiPSC-derived cardiomyocytes can be used as an in vitro model of delayed doxorubicin-induced cardiotoxicity and provide evidence that targeting GATA4 by small molecules may counteract doxorubicin-induced cardiotoxicity. Finally, the results reveal distinct PKC-dependent regulation of cardiac fibroblast transdifferentiation and proliferation and suggest that fibroblast-targeted PKC activation may be a promising strategy to inhibit cardiac fibrosis. Overall, the results highlight the importance of selecting an appropriate cell type and experimental model for compound testing and support further development of both GATA4-targeted compounds and PKC activators.Sydämen vajaatoiminta on yksi johtavista kuolleisuuden syistä maailmassa ja siitä yhteiskunnalle aiheutuvat hoitokustannukset ovat suuria. Nykyiset lääkehoidot helpottavat potilaiden oireita, mutta eivät paranna itse sairautta. Sydän- ja verisuonitaudit, kuten esimerkiksi sepelvaltimotauti ja kohonnut verenpaine, johtavat sydänlihaksen fibroosiin ja uudelleenmuotoutumiseen, johon liittyy sydämen kammioseinämän paksuuntumista ja jäykistymistä, mikä lopulta johtaa sydämen pumppaustoiminnan heikentymiseen. Transkriptiotekijä GATA4:llä on merkittävä osuus solujen eloon jäämisessä, sydänlihaksen uusiutumisessa ja sydänlihassolujen liikakasvussa, minkä vuoksi sitä pidetään houkuttelevana uutena sydänlääkkeiden vaikutuskohteena. Toisaalta monet tutkimukset ovat antaneet viitteitä proteiinikinaasi C (PKC) -entsyymin merkityksestä sydämen fibroosissa. Perinteisesti varhaisen vaiheen lääkekehitysprojekteissa uusien yhdisteiden testaukseen on käytetty solulinjoja ja koe-eläimistä suoraan eristettyjä soluja. Näistä kokeellisista malleista saatujen tulosten yleistettävyys ihmiseen on kuitenkin rajallinen. Tällä hetkellä ihmisen indusoidut monikykyiset kantasolut (hiPS-solut) mahdollistavat ihmisperäisten, paremmin fysiologisia solutyyppejä muistuttavien, solumallien kehittämisen. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli karakterisoida GATA4:ään ja PKC:hen kohdennettujen pienmolekyylien farmakologisia ja toksikologisia vaikutuksia, vertailla erilaisia solumalleja yhdisteiden in vitro -testauksessa, sekä kehittää kroonista syöpälääkkeiden sydäntoksisuutta kuvaava kokeellinen malli hyödyntämällä hiPS-soluista tuotettuja sydänlihassoluja. GATA4:ään kohdennettujen yhdisteiden toksisuustutkimuksessa kantasolut osoittautuivat herkimmäksi solumalliksi. Lisäksi yhdisteistä tunnistettiin rakenneosa, joka pääasiallisesti aiheuttaa kantasolutoksisuutta. Työ osoittaa, että ihmisen monikykyisistä kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja voidaan hyödyntää syöpälääke doksorubisiinin kroonisen sydäntoksisuuden tutkimuksessa altistamalla niitä doksorubisiinille pitkäaikaisesti alhaisella annoksella. Tulokset antavat näyttöä siitä, että GATA4:ään kohdennetuilla hoidoilla voitaisiin mahdollisesti ehkäistä doksorubisiinin sydäntoksisia vaikutuksia. Tutkimus osoittaa myös, että aktivoimalla PKC:tä fibroblasteissa voitaisiin mahdollisesti ehkäistä sydämen fibroosin etenemistä. Kokonaisuudessaan väitöskirjatyön tulokset korostavat tarkoituksenmukaisen solutyypin ja kokeellisen mallin valinnan tärkeyden yhdisteitä testattaessa ja puoltaa sekä GATA4:ään kohdennettujen että PKC:tä aktivoivien yhdisteiden jatkokehitystä.
Subject: farmakologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
karhu_ruuli_dissertation_2021.pdf 4.056Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record