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Biomarker discovery and drug testing in Idiopathic Pulmonary Fibrosis
Biomarker discovery and drug testing in Idiopathic Pulmonary Fibrosis
Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a devastating and lethal disease, with a median survival of 2-3 years after diagnosis. It is chronic, progressive and occurs predominantly in middle-age and older adults. Multiple working hypotheses speak of possible triggers of IPF development, e.g. multiple microinjuries of the alveolar epithelium, aberrant fibroblast activation, and immune deregulation. Currently, there are two drugs approved for the treatment of mild-to-moderate IPF worldwide, neither Pirfenidone or Nintedanib provide a definitive cure for disease, but slow in disease progression. Thus, animal models of pulmonary fibrosis are a critical tool for disease understanding, drug development and pre-clinical intervention. In chapter 2.1, the first study included in this thesis (Fernandez et al., 2016a), we comprehensively analyzed IPF-relevant peripheral biomarkers, histological compromise along with physiological parameters, to determine disease onset, progression and resolution in preclinical models of fibrosis. We observed and validated that the bleomycin-induced pulmonary fibrosis model reached its peak of fibrosis 14 days after treatment and from there on, resolution started. Furthermore, we created a semi-automatized histologic scoring system to quantify the degree of fibrosis, and correlated histology score with lung function decline during the initiation, peak and resolution phase of the model. Interestingly, we observed that at day 28 and 56 although histological compromise was still present, lung function was close to normal. Furthermore, we determine that plasma levels of ICAM-1 strongly correlate with the extent of fibrosis. We complemented and extended our characterization of the model further. In a following study, we performed multi-compartmental deep proteomics in lung tissue and bronchoalveolar lavage (Schiller, Fernandez et al., 2015), with emphasis on characterizing the matrisome, from the initiation to the resolution of bleomycin-induced fibrosis, in where we could determine the initial signatures of injury, as well as the ones that drive lung repair. In chapter 2.2, we highlighted the second study of this thesis (Sun et al., 2015), that goes along with a complementary publication of our authorship. We use the ability of matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging (MALDI-MSI) to simultaneously record the distribution of hundreds of molecules, in a highly multiplexed and unbiased manner. After oral administration of pirfenidone, we could detect, visualize, and quantify the pharmacokinetics and in-situ distribution of pirfenidone in lung, liver and kidney from unchallenged mice. Furthermore, we performed analysis in fibrotic mice and IPF patients, untreated and under pirfenidone therapy (Sun*, Fernandez* et al. 2018). As expected, we detected mouse and human specific and shared responses; specific alterations of metabolite pathways in fibrosis, and most importantly, metabolic recalibration following pirfenidone treatment. Taking together, bleomycin-induced pulmonary fibrosis is an extremely valuable tool for preclinical drugs evaluation, as well as for target validation and modulation of Idiopathic Pulmonary Fibrosis., Die idiopathische pulmonale Fibrose ist eine schwerwiegende und tödlich verlaufende Erkrankung mit einer durchschnittlichen Lebenserwartung von zwei bis drei Jahren nach Diagnosestellung. Die chronisch progressive Erkrankung tritt vorwiegend im mittleren Lebensalter sowie bei älteren Erwachsenen auf. Zahlreiche Arbeitshypothesen zeigten mögliche Auslöser der IPF auf, wie beispielsweise Mikroverletzungen des Alveolarepithels, eine gestörte Fibroblastenaktivierung sowie eine Fehlregulation des Immunsystems. Derzeit sind weltweit zwei Medikamente zur Behandlung von leichter bis mittelschwerer IPF zugelassen, Pirfenidon und Nintedanib. Beide Medikamente verlangsamen den Verlauf der Erkrankung führen jedoch zu keiner Heilung. Somit sind Tiermodelle der Lungenfibrose ein wichtiges Werkzeug für das Verständnis von Krankheiten, die Arzneimittelentwicklung und präklinische Intervention. Kapitel 2.1 fasst die erste Publikation dieser Arbeit zusammen. In Fernandez et al. 2016 analysierten wir IPF-relevante periphere Biomarker und führten einen histologischen Vergleich mit physiologischen Parametern durch, um die Entstehung der Erkrankung, den Verlauf und die Resolution in präklinischen Modellen der Fibrose zu bestimmen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Fibrose im bleomycininduzierten Modell der Fibrose ihren Höhepunkt an Tag 14 nach Belomycinbehandlung erreichte und danach die Phase der Resolution begann. Wir generierten ein semi-automatisiertes histologisches Bewertungssystem um den Grad der Fibrose zu quantifizieren und korrelierten diesen Wert mit der Abnahme der Lungenfunktion während der Initiierungsphase, der maximalen Fibrose und der Resolutionsphase des Models. Interessanterweise beobachteten wir an Tag 28 und 56 eine nahezu normale Lungenfunktion, obwohl histologische Auffälligkeiten noch immer vorhanden waren. Wir entdeckten, dass die Plasmaspiegel von ICAM-1 stark mit dem Fibrosegrad korrelierten. Wir erweiterten die Charakterisierung des Fibrosemodells und schlossen eine weitere Studie an, in der wir eine multi-kompartmentelle tiefgehende Proteomanalyse von Lungengewebe und bronchoalveolären Lavagen durchführten. Der Fokus lag dabei auf der Charakterisierung des Matrisoms von der Initiierungs- bis zur Resolutionsphase der bleomycininduzierten Fibrose. Wir konnten die anfänglichen Signaturen der Verletzung bestimmen, sowie diejenigen, die die Lungenreparatur antreiben Kapitel 2.2 hebt die zweite Publikation der vorliegenden Arbeit hervor, Sun et al., 2015, der eine Koautorenschaft zugrunde liegt. Hierbei nutzten wir die Methode der Matrix–Assistierten Laser–Desorptions/Ionisierungs Massenspektrometrie Bildgebung (Imaging) (MALDI-MSI), welche es ermöglicht in einem multiplexen und ungezielten Ansatz simultan die Verteilung hunderter Moleküle zu messen. Nach oraler Gabe von Pirfenidon, visualisierten und quantifizierten wir die gemessene Pharmakokinetik und in situ Verteilung von Pirfenidon in Lunge, Leber und Niere von gesunden Mäusen. Zusätzlich analysierten wir fibrotische Mäuse und IPF-Patienten, unbehandelt als auch unter Pirfenidontherapie (Sun*, Fernandez* et al. 2018). Wie erwartet entdeckten wir sowohl maus- und menschspezifische als auch gemeinsame Reaktionen, bezüglich spezifischer Änderungen metabolischer Prozesse in Fibrose und, von besonderer Bedeutung, der metabolischen Neukalibrierung nach Pirfenidonbehandlung. Zusammengefasst ist das Tiermodell der bleomycininduzierten pulmonalen Fibrose ein wichtiges Werkzeug für die präklinische Arzneimittelbewertung, sowie für die Validierung potentieller Zielmoleküle und einer Modulation der idiopathischen pulmonalen Fibrose.
Idiopathic Pulmonary Fibrosis, Biomarkers, Mice models, MALDI imaging
Fernandez, Isis E.
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Fernandez, Isis E. (2018): Biomarker discovery and drug testing in Idiopathic Pulmonary Fibrosis. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a devastating and lethal disease, with a median survival of 2-3 years after diagnosis. It is chronic, progressive and occurs predominantly in middle-age and older adults. Multiple working hypotheses speak of possible triggers of IPF development, e.g. multiple microinjuries of the alveolar epithelium, aberrant fibroblast activation, and immune deregulation. Currently, there are two drugs approved for the treatment of mild-to-moderate IPF worldwide, neither Pirfenidone or Nintedanib provide a definitive cure for disease, but slow in disease progression. Thus, animal models of pulmonary fibrosis are a critical tool for disease understanding, drug development and pre-clinical intervention. In chapter 2.1, the first study included in this thesis (Fernandez et al., 2016a), we comprehensively analyzed IPF-relevant peripheral biomarkers, histological compromise along with physiological parameters, to determine disease onset, progression and resolution in preclinical models of fibrosis. We observed and validated that the bleomycin-induced pulmonary fibrosis model reached its peak of fibrosis 14 days after treatment and from there on, resolution started. Furthermore, we created a semi-automatized histologic scoring system to quantify the degree of fibrosis, and correlated histology score with lung function decline during the initiation, peak and resolution phase of the model. Interestingly, we observed that at day 28 and 56 although histological compromise was still present, lung function was close to normal. Furthermore, we determine that plasma levels of ICAM-1 strongly correlate with the extent of fibrosis. We complemented and extended our characterization of the model further. In a following study, we performed multi-compartmental deep proteomics in lung tissue and bronchoalveolar lavage (Schiller, Fernandez et al., 2015), with emphasis on characterizing the matrisome, from the initiation to the resolution of bleomycin-induced fibrosis, in where we could determine the initial signatures of injury, as well as the ones that drive lung repair. In chapter 2.2, we highlighted the second study of this thesis (Sun et al., 2015), that goes along with a complementary publication of our authorship. We use the ability of matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging (MALDI-MSI) to simultaneously record the distribution of hundreds of molecules, in a highly multiplexed and unbiased manner. After oral administration of pirfenidone, we could detect, visualize, and quantify the pharmacokinetics and in-situ distribution of pirfenidone in lung, liver and kidney from unchallenged mice. Furthermore, we performed analysis in fibrotic mice and IPF patients, untreated and under pirfenidone therapy (Sun*, Fernandez* et al. 2018). As expected, we detected mouse and human specific and shared responses; specific alterations of metabolite pathways in fibrosis, and most importantly, metabolic recalibration following pirfenidone treatment. Taking together, bleomycin-induced pulmonary fibrosis is an extremely valuable tool for preclinical drugs evaluation, as well as for target validation and modulation of Idiopathic Pulmonary Fibrosis.

Abstract

Die idiopathische pulmonale Fibrose ist eine schwerwiegende und tödlich verlaufende Erkrankung mit einer durchschnittlichen Lebenserwartung von zwei bis drei Jahren nach Diagnosestellung. Die chronisch progressive Erkrankung tritt vorwiegend im mittleren Lebensalter sowie bei älteren Erwachsenen auf. Zahlreiche Arbeitshypothesen zeigten mögliche Auslöser der IPF auf, wie beispielsweise Mikroverletzungen des Alveolarepithels, eine gestörte Fibroblastenaktivierung sowie eine Fehlregulation des Immunsystems. Derzeit sind weltweit zwei Medikamente zur Behandlung von leichter bis mittelschwerer IPF zugelassen, Pirfenidon und Nintedanib. Beide Medikamente verlangsamen den Verlauf der Erkrankung führen jedoch zu keiner Heilung. Somit sind Tiermodelle der Lungenfibrose ein wichtiges Werkzeug für das Verständnis von Krankheiten, die Arzneimittelentwicklung und präklinische Intervention. Kapitel 2.1 fasst die erste Publikation dieser Arbeit zusammen. In Fernandez et al. 2016 analysierten wir IPF-relevante periphere Biomarker und führten einen histologischen Vergleich mit physiologischen Parametern durch, um die Entstehung der Erkrankung, den Verlauf und die Resolution in präklinischen Modellen der Fibrose zu bestimmen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Fibrose im bleomycininduzierten Modell der Fibrose ihren Höhepunkt an Tag 14 nach Belomycinbehandlung erreichte und danach die Phase der Resolution begann. Wir generierten ein semi-automatisiertes histologisches Bewertungssystem um den Grad der Fibrose zu quantifizieren und korrelierten diesen Wert mit der Abnahme der Lungenfunktion während der Initiierungsphase, der maximalen Fibrose und der Resolutionsphase des Models. Interessanterweise beobachteten wir an Tag 28 und 56 eine nahezu normale Lungenfunktion, obwohl histologische Auffälligkeiten noch immer vorhanden waren. Wir entdeckten, dass die Plasmaspiegel von ICAM-1 stark mit dem Fibrosegrad korrelierten. Wir erweiterten die Charakterisierung des Fibrosemodells und schlossen eine weitere Studie an, in der wir eine multi-kompartmentelle tiefgehende Proteomanalyse von Lungengewebe und bronchoalveolären Lavagen durchführten. Der Fokus lag dabei auf der Charakterisierung des Matrisoms von der Initiierungs- bis zur Resolutionsphase der bleomycininduzierten Fibrose. Wir konnten die anfänglichen Signaturen der Verletzung bestimmen, sowie diejenigen, die die Lungenreparatur antreiben Kapitel 2.2 hebt die zweite Publikation der vorliegenden Arbeit hervor, Sun et al., 2015, der eine Koautorenschaft zugrunde liegt. Hierbei nutzten wir die Methode der Matrix–Assistierten Laser–Desorptions/Ionisierungs Massenspektrometrie Bildgebung (Imaging) (MALDI-MSI), welche es ermöglicht in einem multiplexen und ungezielten Ansatz simultan die Verteilung hunderter Moleküle zu messen. Nach oraler Gabe von Pirfenidon, visualisierten und quantifizierten wir die gemessene Pharmakokinetik und in situ Verteilung von Pirfenidon in Lunge, Leber und Niere von gesunden Mäusen. Zusätzlich analysierten wir fibrotische Mäuse und IPF-Patienten, unbehandelt als auch unter Pirfenidontherapie (Sun*, Fernandez* et al. 2018). Wie erwartet entdeckten wir sowohl maus- und menschspezifische als auch gemeinsame Reaktionen, bezüglich spezifischer Änderungen metabolischer Prozesse in Fibrose und, von besonderer Bedeutung, der metabolischen Neukalibrierung nach Pirfenidonbehandlung. Zusammengefasst ist das Tiermodell der bleomycininduzierten pulmonalen Fibrose ein wichtiges Werkzeug für die präklinische Arzneimittelbewertung, sowie für die Validierung potentieller Zielmoleküle und einer Modulation der idiopathischen pulmonalen Fibrose.