Cardiac microvascular dysfunction in diabetes mellitus: elucidation of molecular determinants and therapeutic targets
Micro-RNA 92a as a therapeutic target for cardiac microvascular dysfunction in diabetes
by Mostafa Samak
Date of Examination:2023-02-06
Date of issue:2023-03-09
Advisor:Prof. Dr. Rabea Hinkel
Referee:Prof. Dr. Wolfram-Hubertus Zimmermann
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Behr
Referee:Prof. Dr. Susanne Lutz
Referee:Prof. Dr. Katrin Streckfuß-Bömeke
Referee:Prof. Dr. Frauke Alves
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Name:Mostafa Samak_PhD MolMed_Doctoral thesis_2023.pdf
Size:6.30Mb
Format:PDF
Abstract
English
Microvascular dysfunction is a pathological hallmark of the diabetic myocardium, and is central to the etiology of diabetes-associated cardiac events. Herein, previous studies highlighted the role of the vasoactive micro-RNA 92a (miR-92a) in small, as well as large animal models. In this study, the effects of miR-92a in primary human cardiac microvascular endothelial cells (HCMEC) and their mouse equivalents (MCMEC) were explored. I characterized endothelial dysfunction and inflammation in HCMEC from diabetic patients and reported their upregulation of miR-92a. Importantly, I could show that inhibition of miR-92a in diabetic HCMEC rescued angiogenesis and ameliorated endothelial bed inflammation. The in silico analysis identified four conserved targets downstream of miR-92a with direct relevance to the observed phenotypes. Of novelty, I reported the miR-92a-dependent downregulation of the coronary essential metalloproteinase, ADAM10, in diabetic HCMEC. This was also shown in diabetic porcine ventricular tissue. Accordingly, downregulation of ADAM10 impaired angiogenesis, sprouting and wound healing in HCMEC and MCMEC. Further, a dysregulation of the anti-inflammatory Krüppel-like factors (KLF) 2 and 4 in diabetic HCMEC and diabetic porcine left ventricles was observed. Indeed, ablation of KLF2 in non-diabetic HCMEC elicited the same inflammatory phenotype as their diabetic counterparts. Upstream of KLFs, dysregulation of myocyte enhancer factor 2D (MEF2D) in diabetic HCMEC and porcine ventricular tissue was demonstrated. By virtue of dual luciferase reporter assays, I confirmed direct interaction between miR-92a and all four targets. Importantly, inhibition of miR-92a was also shown to restore their levels in diabetic HCMEC. Altogether, my results highlight novel molecular mechanisms in the pathogenesis of cardiac microvascular dysfunction in diabetes and strongly qualify miR-92a as a therapeutic target.
Keywords: Cardiovascular disease; Diabetes mellitus; Micro-RNA; Nucleic acid therapy; Endothelial cells; Angiogenesis; Vascular inflammation; Translational research; Molecular medicine
German
Die mikrovaskuläre Dysfunktion ist ein pathologisches Merkmal des diabetischen Myokards und spielt eine zentrale Rolle bei der Ätiologie von Diabetes-assoziierten Herzerkrankungen. Frühere Studien haben die Rolle der vasoaktiven Mikro-RNA 92a (miR-92a) sowohl in kleinen als auch in großen Tiermodellen aufgezeigt. In dieser Studie wurden die Auswirkungen von miR-92a in primären humanen kardialen mikrovaskulären Endothelzellen (HCMEC) und ihren Gegenstücken aus der Maus (MCMEC) untersucht. Ich habe die endotheliale Dysfunktion und Entzündung in HCMEC von Diabetikern charakterisiert und ihre Hochregulierung von miR-92a beschrieben. Außerdem konnte ich zeigen, dass die Hemmung von miR-92a in diabetischen HCMEC die Angiogenese unterstützte und die Entzündung des Endothelbetts verringerte. Die in silico-Analyse identifizierte vier konservierte Zielmoleküle, die miR-92a nachgeschaltet sind und einen direkten Bezug zu den beobachteten Phänotypen haben. Neu ist, dass ich die miR-92a-abhängige Herunterregulierung der koronaren essentiellen Metalloproteinase ADAM10 in diabetischen HCMEC nachweisen konnte. Dies konnte auch in diabetischem ventrikulärem Gewebe von Schweinen gezeigt werden. Dementsprechend beeinträchtigte die Herunterregulierung von ADAM10 die Angiogenese, Sprossung und Wundheilung in HCMEC und MCMEC. Darüber hinaus ist eine Dysregulation der entzündungshemmenden Krüppel-like Faktoren (KLF) 2 und 4 in diabetischen HCMEC und diabetischen Schweineventrikeln festgestellt worden. Tatsächlich führte die Ablation von KLF2 in nicht-diabetischen HCMEC zum gleichen Entzündungsphänotyp wie in ihren diabetischen Pendants. Upstream von KLFs wurde eine Fehlregulierung des Myozyten-Enhancer-Faktors 2D (MEF2D) in diabetischen HCMEC und Schweineventrikeln festgestellt. Mit Hilfe von dualen Luziferase-Reporter-Assays bestätigte ich eine direkte Interaktion zwischen miR-92a und allen vier Zielmolekülen. Es hat sich auch gezeigt, dass die Hemmung von miR-92a die Werte dieser Targets in diabetischen HCMEC wiederherstellt. Insgesamt zeigen meine Ergebnisse neue molekulare Mechanismen in der Pathogenese der kardialen mikrovaskulären Dysfunktion bei Diabetes mellitus auf und qualifizieren miR-92a nachdrücklich als therapeutisches Ziel.
Schlagwörter: Cardiovascular disease; Diabetes mellitus; Micro-RNA; Nucleic acid therapy; Endothelial cells; Angiogenesis; Vascular inflammation; Translational research; Molecular medicine