MicroRNAs như dấu hiệu độc tính sớm của doxorubicin trong tế bào cơ tim phân lập từ tế bào gốc trung mô người

Fühner-Wieland's Sammlung von Vergiftungsfällen - Tập 90 - Trang 3087-3098 - 2016
Umesh Chaudhari1, Harshal Nemade1, John Antonydas Gaspar1, Jürgen Hescheler1, Jan G. Hengstler2, Agapios Sachinidis1
1Institute of Neurophysiology, Center for Molecular Medicine Cologne (CMMC), University of Cologne, Cologne, Germany
2Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors at the Technical University of Dortmund (IfADo), Dortmund, Germany

Tóm tắt

Một cuộc điều tra sâu tại cấp độ gen là cần thiết để xác định các dấu hiệu sinh học liên quan đến độc tính tim mạch ở người xảy ra do thuốc và chất độc môi trường. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là điều tra vai trò của microRNA (miRNA) như là dấu hiệu sinh học của độc tính tim mạch, sử dụng tế bào cơ tim (CM) phân lập từ tế bào gốc đa năng cảm ứng người (hiPSC) bị phơi nhiễm với doxorubicin (DOX) như một "tiêu chuẩn vàng" của chất gây độc tim. hiPSC-CM đã bị phơi nhiễm với 156 nM DOX trong 2 ngày hoặc trong 6 ngày phơi nhiễm lặp lại, sau đó là việc rửa bỏ thuốc và ủ trong môi trường nuôi cấy không có thuốc lên đến ngày 14 sau khi bắt đầu phơi nhiễm. Những miRNA bị kích hoạt đã được xác định bằng cách sử dụng microarray miRNA, và phân tích dữ liệu đã được thực hiện bằng các công cụ sinh học thông tin miRWalk 2.0 và DAVID. DOX đã gây ra sự điều chỉnh không bình thường sớm của 14 miRNA (10 miRNA tăng và 4 miRNA giảm) và sự tăng lên kéo dài của 5 miRNA trong thời gian rửa thuốc. Dự đoán mục tiêu gen miRNA tính toán cho thấy rằng một số miRNA nhạy cảm với DOX có thể điều chỉnh sự biểu hiện mRNA của các gen liên quan đến chức năng co bóp tim. hiPSC-CMs phơi nhiễm với DOX trong khoảng từ 39 đến 156 nM không cho thấy sự giải phóng đáng kể của dấu hiệu độc tính lactate dehydrogenase (LDH) so với nhóm đối chứng. Các phân tích PCR thời gian thực định lượng đã xác nhận sự điều chỉnh không bình thường sớm của miR-187-3p, miR-182-5p, miR-486-3p, miR-486-5p, miR-34a-3p, miR-4423-3p, miR-34c-3p, miR-34c-5p và miR-1303, cũng như sự tăng lên kéo dài của miR-182-5p, miR-4423-3p và miR-34c-5p. Do đó, chúng tôi đã xác định và xác thực các miRNA có biểu hiện phản ứng khác biệt với DOX trước khi xảy ra các dấu hiệu độc tính như LDH, và những miRNA này cũng cho thấy sự tham gia đáng kể vào suy tim ở bệnh nhân và mô hình động vật. Những kết quả này gợi ý rằng các miRNA bị điều chỉnh không bình thường do DOX trong các CM người có thể được sử dụng làm dấu hiệu độc tính tim mạch nhạy cảm sớm để sàng lọc các thuốc tiềm năng và các chất độc tim mạch môi trường có cơ chế tác động tương tự.

Từ khóa

#microRNAs #độc tính tim mạch #doxorubicin #tế bào gốc #tổn thương cơ tim

Tài liệu tham khảo

Abdel Aleem S, El Merzabani MM, Sayed Ahmed M, Taylor DA, Lowe JE (1997) Acute and chronic effects of adriamycin on fatty acid oxidation in isolated cardiac myocytes. J Mol Cell Cardiol 29:789–797 Alexander MS, Casar JC, Motohashi N, Vieira NM, Eisenberg I, Marshall JL, Gasperini MJ, Lek A, Myers JA, Estrella EA, Kang PB, Shapiro F, Rahimov F, Kawahara G, Widrick JJ, Kunkel LM (2014) MicroRNA-486 dependent modulation of DOCK3/PTEN/AKT signaling pathways improves muscular dystrophy-associated symptoms. J Clin Investig 124:2651–2667 Ambros V (2004) The functions of animal microRNAs. Nature 431:350–355 Andersson H, Steel D, Asp J, Dahlenborg K, Jonsson M, Jeppsson A, Lindahl A, Kagedal B, Sartipy P, Mandenius CF (2010) Assaying cardiac biomarkers for toxicity testing using biosensing and cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells. J Biotechnol 150:175–181 Banco B, Grieco V, Servida F, Giudice C (2011) Sudden death in a dog after doxorubicin chemotherapy. Vet Pathol 48:1035–1037 Bartel DP (2004) MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 116:281–297 Bernardo BC, Gao XM, Winbanks CE, Boey EJH, Tham YK, Kiriazis H, Gregorevic P, Obad S, Kauppinen S, Du XJ, Lin RCY, McMullen JR (2012) Therapeutic inhibition of the miR-34 family attenuates pathological cardiac remodeling and improves heart function. Proc Natl Acad Sci USA 109:17615–17620 Boon RA, Iekushi K, Lechner S, Seeger T, Fischer A, Heydt S, Kaluza D, Treguer K, Carmona G, Bonauer A, Horrevoets AJG, Didier N, Girmatsion Z, Biliczki P, Ehrlich JR, Katus HA, Muller OJ, Potente M, Zeiher AM, Hermeking H, Dimmeler S (2013) MicroRNA-34a regulates cardiac ageing and function. Nature 495:107–110 Chatterjee K, Zhang J, Honbo N, Karliner JS (2010) Doxorubicin cardiomyopathy. Cardiology 115:155–162 Chaudhari U, Nemade H, Wagh V, Gaspar JA, Ellis JK, Srinivasan SP, Spitkovski D, Nguemo F, Louisse J, Bremer S, Hescheler J, Keun HC, Hengstler JG, Sachinidis A (2015) Identification of genomic biomarkers for anthracycline-induced cardiotoxicity in human iPSC-derived cardiomyocytes: an in vitro repeated exposure toxicity approach for safety assessment. Arch Toxicol. doi:10.1007/s00204-015-1623-5 D’Alessandra Y, Devanna P, Limana F, Straino S, Di Carlo A, Brambilla PG, Rubino M, Carena MC, Spazzafumo L, De Simone M, Micheli B, Biglioli P, Achilli F, Martelli F, Maggiolini S, Marenzi G, Pompilio G, Capogrossi MC (2010) Circulating microRNAs are new and sensitive biomarkers of myocardial infarction. Eur Heart J 31:2765–2773 Dennis G, Sherman BT, Hosack DA, Yang J, Gao W, Lane HC, Lempicki RA (2003) DAVID: database for annotation, visualization, and integrated discovery. Genome Biol 4(5):P3 Desai VG, Herman EH, Moland CL, Branham WS, Lewis SM, Davis KJ, George NI, Lee T, Kerr S, Fuscoe JC (2013) Development of doxorubicin-induced chronic cardiotoxicity in the B6C3F1 mouse model. Toxicol Appl Pharmacol 266:109–121 Desai VG, Kwekel JC, Vijay V, Moland CL, Herman EH, Lee T, Han T, Lewis SM, Davis KJ, Muskhelishvili L, Kerr S, Fuscoe JC (2014) Early biomarkers of doxorubicin-induced heart injury in a mouse model. Toxicol Appl Pharmacol 281:221–229 Dweep H, Sticht C, Pandey P, Gretz N (2011) miRWalk—database: prediction of possible miRNA binding sites by “walking” the genes of three genomes. J Biomed Inform 44:839–847 Elzenaar I, Pinto YM, van Oort RJ (2013) MicroRNAs in heart failure: new targets in disease management. Clin Pharmacol Ther 94:480–489 Fan F, Sun AJ, Zhao HT, Liu XW, Zhang WB, Jin XT, Wang C, Ma X, Shen C, Zou YZ, Hu K, Ge JB (2013) MicroRNA-34a promotes cardiomyocyte apoptosis post myocardial infarction through down-regulating aldehyde dehydrogenase 2. Curr Pharm Des 19:4865–4873 Feng HJ, Ouyang W, Liu JH, Sun YG, Hu R, Huang LH, Xian JL, Jing CF, Zhou MJ (2014) Global microRNA profiles and signaling pathways in the development of cardiac hypertrophy. Braz J Med Biol Res 47:361–368 Fisher PW, Salloum F, Das A, Hyder H, Kukreja RC (2005) Phosphodiesterase-5 inhibition with sildenafil attenuates cardiomyocyte apoptosis and left ventricular dysfunction in a chronic model of doxorubicin cardiotoxicity. Circulation 111:1601–1610 Greco S, Fasanaro P, Castelvecchio S, D’Alessandra Y, Arcelli D, Di Donato M, Malavazos A, Capogrossi MC, Menicanti L, Martelli F (2012) MicroRNA dysregulation in diabetic ischemic heart failure patients. Diabetes 61:1633–1641 Han H, Qu G, Han C, Wang Y, Sun T, Li F, Wang J, Luo S (2015) MiR-34a, miR-21 and miR-23a as potential biomarkers for coronary artery disease: a pilot microarray study and confirmation in a 32 patient cohort. Exp Mol Med 47:e138 Herman EH, Lipshultz SE, Rifai N, Zhang J, Papoian T, Yu ZX, Takeda K, Ferrans VJ (1998) Use of cardiac troponin T levels as an indicator of doxorubicin-induced cardiotoxicity. Cancer Res 58:195–197 Herman EH, Zhang J, Lipshultz SE, Rifai N, Chadwick D, Takeda K, Yu ZX, Ferrans VJ (1999) Correlation between serum levels of cardiac troponin-T and the severity of the chronic cardiomyopathy induced by doxorubicin. J Clin Oncol 17:2237–2243 Holmgren G, Synnergren J, Bogestal Y, Ameen C, Akesson K, Holmgren S, Lindahl A, Sartipy P (2015) Identification of novel biomarkers for doxorubicin-induced toxicity in human cardiomyocytes derived from pluripotent stem cells. Toxicology 328:102–111 Hrelia S, Fiorentini D, Maraldi T, Angeloni C, Bordoni A, Biagi PL, Hakim G (2002) Doxorubicin induces early lipid peroxidation associated with changes in glucose transport in cultured cardiomyocytes. BBA Biomembr 1567:150–156 Hsu A, Chen SJ, Chang YS, Chen HC, Chu PH (2014) Systemic approach to identify serum microRNAs as potential biomarkers for acute myocardial infarction. Biomed Res Int 418628 Jaenke RS (1974) An anthracycline antibiotic-induced cardiomyopathy in rabbits. Lab Invest 30:292–304 Kawano H, Okada R, Kawano Y, Sueyoshi N, Shirai T (1994) Apoptosis in acute and chronic myocarditis. Jpn Heart J 35:745–750 Krishnan K, Steptoe AL, Martin HC, Wani S, Nones K, Waddell N, Mariasegaram M, Simpson PT, Lakhani SR, Gabrielli B, Vlassov A, Cloonan N, Grimmond SM (2013) MicroRNA-182-5p targets a network of genes involved in DNA repair. RNA 19:230–242 Kwak HB (2013) Effects of aging and exercise training on apoptosis in the heart. J Exerc Rehabil 9:212–219 Latronico MVG, Condorelli G (2009) MicroRNAs and cardiac pathology. Nat Rev Cardiol 6:418–429 L’Ecuyer T, Sanjeev S, Thomas R, Novak R, Das L, Campbell W, Vander Heide R (2006) DNA damage is an early event in doxorubicin-induced cardiac myocyte death. Am J Physiol Heart Circ Physiol 291:H1273–H1280 Leptidis S, el Azzouzi H, Lok SI, de Weger R, Olieslagers S, Kisters N, Silva GJ, Heymans S, Cuppen E, Berezikov E, De Windt LJ, Martins PD (2013) A deep sequencing approach to uncover the miRNOME in the human heart. PLoS ONE 8(2):e57800. doi:10.1371/journal.pone.0057800 Lin RCY, Weeks KL, Gao XM, Williams RBH, Bernardo BC, Kiriazis H, Matthews VB, Woodcock EA, Bouwman RD, Mollica JP, Speirs HJ, Dawes IW, Daly RJ, Shioi T, Izumo S, Febbraio MA, Du XJ, McMullen JR (2010) PI3K(p110 alpha) protects against myocardial infarction-induced heart failure identification of PI3K-regulated miRNA and mRNA. Arterioscler Thromb Vasc Biol 30:724–732 Lipshultz SE, Miller TL, Scully RE, Lipsitz SR, Rifai N, Silverman LB, Colan SD, Neuberg DS, Dahlberg SE, Henkel JM, Asselin BL, Athale UH, Clavell LA, Laverdiere C, Michon B, Schorin MA, Sallan SE (2012) Changes in cardiac biomarkers during doxorubicin treatment of pediatric patients with high-risk acute lymphoblastic leukemia: associations with long-term echocardiographic outcomes. J Clin Oncol 30:1042–1049 Matsumoto S, Sakata Y, Suna S, Nakatani D, Usami M, Hara M, Kitamura T, Hamasaki T, Nanto S, Kawahara Y, Komuro I (2013) Circulating p53-responsive microRNAs are predictive indicators of heart failure after acute myocardial infarction short communication. Circ Res 113:322–326 Moskwa P, Buffa FM, Pan YF, Panchakshari R, Gottipati P, Muschel RJ, Beech J, Kulshrestha R, Abdelmohsen K, Weinstock DM, Gorospe M, Harris AL, Helleday T, Chowdhury D (2011) miR-182-mediated downregulation of BRCA1 impacts DNA repair and sensitivity to PARP inhibitors. Mol Cell 41:210–220 O’Brien PJ (2006) Blood cardiac troponin in toxic myocardial injury: archetype of a translational safety biomarker. Expert Rev Mol Diagn 6:685–702 O’Brien PJ, Smith DEC, Knechtel TJ, Marchak MA, Pruimboom-Brees I, Brees DJ, Spratt DP, Archer FJ, Butler P, Potter AN, Provost JP, Richard J, Snyder PA, Reagan WJ (2006) Cardiac troponin I is a sensitive, specific biomarker of cardiac injury in laboratory animals. Lab Anim 40:153–171 Olivetti G, Abbi R, Quaini F, Kajstura J, Cheng W, Nitahara JA, Quaini E, DiLoreto C, Beltrami CA, Krajewski S, Reed JC, Anversa P (1997) Apoptosis in the failing human heart. N Engl J Med 336:1131–1141 Rao PK, Toyama Y, Chiang HR, Gupta S, Bauer M, Medvid R, Reinhardt F, Liao R, Krieger M, Jaenisch R, Lodish HF, Blelloch R (2009) Loss of cardiac microRNA-mediated regulation leads to dilated cardiomyopathy and heart failure. Circ Res 105:585–594 Saraste A, Pulkki K, Kallajoki M, Henriksen K, Parvinen M, VoipioPulkki LM (1997) Apoptosis in human acute myocardial infarction. Circulation 95:320–323 Shahzadi A, Sonmez I, Allahverdiyev O, Onal B, Kandaz C, Ozyazgan SO, Akkan AG, Yazici Z (2014) Cardiac troponin-I (cTnI) a biomarker of cardiac injuries induced by doxorubicin alone and in combination with ciprofloxacin, following acute and chronic dose protocol in Sprague Dawley rats. Int J Pharmacol 10:258–266 Sharov VG, Sabbah HN, Shimoyama H, Goussev AV, Lesch M, Goldstein S (1996) Evidence of cardiocyte apoptosis in myocardium of dogs with chronic heart failure. Am J Pathol 148:141–149 Simkhovich BZ, Kleinman MT, Kloner RA (2009) Particulate air pollution and coronary heart disease. Curr Opin Cardiol 24:604–609 Singal PK, Iliskovic N (1998) Doxorubicin-induced cardiomyopathy. N Engl J Med 339:900–905 Small EM, Frost RJA, Olson EN (2010a) MicroRNAs add a new dimension to cardiovascular disease. Circulation 121:1022–1032 Small EM, O’Rourke JR, Moresi V, Sutherland LB, McAnally J, Gerard RD, Richardson JA, Olson EN (2010b) Regulation of PI3-kinase/Akt signaling by muscle-enriched microRNA-486. Proc Natl Acad Sci USA 107:4218–4223 Smith LA, Cornelius VR, Plummer CJ, Levitt G, Verrill M, Canney P, Jones A (2010) Cardiotoxicity of anthracycline agents for the treatment of cancer: systematic review and meta-analysis of randomised controlled trials. BMC Cancer 10:337. doi:10.1186/1471-2407-10-337 Taurino C, Miller WH, McBride MW, McClure JD, Khanin R, Moreno MU, Dymott JA, Delles C, Dominiczak AF (2010) Gene expression profiling in whole blood of patients with coronary artery disease. Clin Sci 119:335–343 Tokarska-Schlattner M, Zaugg M, da Silva R, Lucchinetti E, Schaub MC, Wallimann T, Schlattner U (2005) Acute toxicity of doxorubicin on isolated perfused heart: response of kinases regulating energy supply. Am J Physiol Heart Circ Physiol 289:H37–H47 Tonomura Y, Mori Y, Torii M, Uehara T (2009) Evaluation of the usefulness of biomarkers for cardiac and skeletal myotoxicity in rats. Toxicology 266:48–54 Ueno M, Kakinuma Y, Yuhki KI, Murakoshi N, Iemitsu M, Miyauchi T, Yamaguchi I (2006) Doxorubicin induces apoptosis by activation of caspase-3 in cultured cardiomyocytes in vitro and rat cardiac ventricles in vivo. J Pharm Sci 101:151–158 Vacchi-Suzzi C, Bauer Y, Berridge BR, Bongiovanni S, Gerrish K, Hamadeh HK, Letzkus M, Lyon J, Moggs J, Paules RS, Pognan F, Staedtler F, Vidgeon-Hart MP, Grenet O, Couttet P (2012) Perturbation of microRNAs in rat heart during chronic doxorubicin treatment. PLoS ONE 7(7):e40395. doi:10.1371/journal.pone.0040395 Walker DB (2006) Serum chemical biomarkers of cardiac injury for nonclinical safety testing. Toxicol Pathol 34:94–104 Wallace KB (2003) Doxorubicin-induced cardiac mitochondrionopathy. Pharmacol Toxicol 93:105–115 Weber K, Rostert N, Bauersachs S, Wess G (2015) Serum microRNA profiles in cats with hypertrophic cardiomyopathy. Mol Cell Biochem 402:171–180 Yan DS, Dong XD, Chen XY, Yao SS, Wang LH, Wang J, Wang C, Hu DN, Qu J, Tu LL (2012) Role of microRNA-182 in posterior uveal melanoma: regulation of tumor development through MITF, BCL2 and Cyclin D2. PLoS ONE 7(7):e40967. doi:10.1371/journal.pone.0040967 Yan ZX, Wu LL, Xue K, Zhang QL, Guo Y, Romero M, Leboeuf C, Janin A, Chen SJ, Wang L, Zhao WL (2014) MicroRNA187 overexpression is related to tumor progression and determines sensitivity to bortezomib in peripheral T-cell lymphoma. Leukemia 28:880–887 Yao EL, Ventura A (2011) A new role for miR-182 in DNA repair. Mol Cell 41:135–137 Yeh ETH, Tong AT, Lenihan DJ, Yusuf SW, Swafford J, Champion C, Durand JB, Gibbs H, Zafarmand AA, Ewer MS (2004) Cardiovascular complications of cancer therapy—diagnosis, pathogenesis, and management. Circulation 109:3122–3131 Zhu XM, Wang HJ, Liu F, Chen L, Luo WJ, Su PX, Li WM, Yu LP, Yang XC, Cai J (2013) Identification of micro-RNA networks in end-stage heart failure because of dilated cardiomyopathy. J Cell Mol Med 17:1173–1187