京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20794号 / 医博第4294号 / 新制||医||1025(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 妹尾 浩, 教授 浅野 雅秀, 教授 川口 義弥 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Calcific aortic valve disease (CAVD) is a highly prevalent and progressive disorder that ultimately causes gradual narrowing of the left ventricular outflow orifice with ensuing devastating hemodynamic effects on the heart. Calcific mineral accumulation is the hallmark pathology defining this process; however, fibrotic extracellular matrix (ECM) remodeling that leads to extensive deposition of fibrous connective tissue and distortion of the valvular microarchitecture similarly has major biomechanical and functional consequences for heart valve function. Significant advances have been made to unravel the complex mechanisms that govern these active, cell-mediated processes, yet the interplay between fibrosis and calcification and the individual contribution to progressive extracellular matrix stiffening require further clarification. Specifically, we discuss (1) the valvular biomechanics and layered ECM composition, (2) patterns in the cellular contribution, temporal onset, and risk factors for valvular fibrosis, (3) imaging valvular fibrosis, (4) biomechanical implications of valvular fibrosis, and (5) molecular mechanisms promoting fibrotic tissue remodeling and the possibility of reverse remodeling. This review explores our current understanding of the cellular and molecular drivers of fibrogenesis and the pathophysiological role of fibrosis in CAVD.

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Fibroblasts are the principal cellular component of the connective tissue. They are a heterogeneous group of cells which contribute to the structure of connective tissue and wound healing by their ability to produce extracellular matrix (ECM). Fibroblasts and cells derived from them are involved in many pathological processes such as formation of malignant tumors and fibrosis. Tumor progression which finally leads to metastasis is a serious biomedical problem. There is a growing body of the recent evidence showing an important role of the tumor stroma and its interaction with cancer cells in cancer progression. Tumor stroma comprises mainly of myofibroblasts and their products, namely ECM, soluble factors, and enzymes. Myofibroblasts contribute more or less to all steps of cancer progression. Furthermore myofibroblasts play a key role in fibrosis, another serious human disease which is not efficiently treatable and which is associated with cancer progression. These facts made us to search for molecular means capable of eliminating the myofibroblastic phenotype. We succeeded to entirely dedifferentiate primary myofibroblasts by concomitant inhibition of TGFβ signaling and perturbation of MAPK signaling in a chick model that we have introduced. Malignant fibroblasts form sarcomas. ECM is the first...

La protéine RFX3 appartient à une famille de facteurs de transcription RFX (Regulatory Factor X) très conservée au cours de l'évolution. Avec plusieurs autres membres de cette famille, RFX3 est impliquée dans la régulation de l'expression de gènes nécessaires pour l'assemblage et la fonction des cils. L’objectif de mon travail de thèse a été de comprendre le rôle du facteur de transcription RFX3 au cours du développement du poumon de la souris. RFX3 est exprimée dès le début du développement pulmonaire dans les cellules du mésenchyme et de l'épithélium, de manière corrélée à la présence de cils primaires. En absence de RFX3, le nombre des cils primaires est réduit. A la naissance, l’expression de RFX3 se restreint aux cellules multiciliées de l'épithélium bronchique. Les poumons de souris Rfx3-/- ou conditionnellement inactivées pour Rfx3 dans le mésenchyme, présentent un défaut de formation des alvéoles, associé à un nombre réduit de précurseurs des myofibroblastes en cours de migration en périphérie des poumons. In vivo, le nombre de précurseurs des myofibroblastes chez les souris Rfx3-/- est diminué. En culture primaire, les myofibroblastes Rfx3-/- ont une capacité proliférative réduite, ainsi qu'une altération du comportement migratoire. La voie induite par le PDGFAA, facteur de croissance responsable de la migration des myofibroblastes in vivo, est intact chez les myofibroblastes Rfx3-/-. En conclusion, RFX3 régule la croissance des cils primaires et gouverne la différentiation des myofibroblastes pendant le développement du poumon. Ce travail de thèse suggère donc une nouvelle fonction des cils primaires durant le développement pulmonaire / RFX3 belongs to the regulatory factor X (RFX) family transcription factors that are conserved in a wide range of species. With several other members of this family, RFX3 is involved in regulating the expression of genes required for assembly and function of cilia. The aim of my thesis was to understand the role of the transcription factor RFX3 during mouse lung development. RFX3 is expressed early in lung development in mesenchymal and epithelial cells, correlated to the presence of primary cilia. In the absence of RFX3, the number of primary cilia is reduced. At birth, RFX3 expression is restricted to multiciliated cells of the bronchial epithelium. The lungs of Rfx3-/- mice, or conditionally inactivated for Rfx3 in the mesenchyme, exhibit an alveolarization defect, associated with a reduced number of myofibroblast precursors that migrate in the lung periphery. In vivo, the number of myofibroblast precursors in Rfx3-/- mice is reduced. In primary culture, Rfx3-/- myofibroblasts have a reduced proliferative capacity, and an altered migratory behavior. The pathway induced by PDGFAA, a growth factor responsible for the myofibroblast migration in vivo, is intact in Rfx3-/- myofibroblasts. In conclusion, RFX3 regulates the growth of primary cilia and governs the differentiation of myofibroblasts during lung development. This thesis suggests a novel function of primary cilia during lung development

"A quantitative understanding of the complex interactions between cells, soluble factors, and the biological and mechanical properties of biomaterials is required to guide cell remodeling towards regeneration of healthy tissue rather than fibrocontractive tissue. The goal of this thesis was to elucidate the interactions between the boundary stiffness of three-dimensional (3D) matrix and soluble factors on valvular interstitial cell (VIC) phenotype with a quantitative approach. The first part of the work presented in this thesis was to characterize the combined effects of boundary stiffness and transforming growth factor-β1 (TGF-β1) on cell-generated forces and collagen accumulation. We first generated a quantitative map of cell-generated tension in response to these factors by culturing VICs within micro-scale fibrin gels between compliant posts (0.15-1.05 nN/nm) in chemically-defined media with TGF-β1 (0-5 ng/mL). The VICs generated 100 to 3000 nN/cell after one week of culture, and multiple regression modeling demonstrated, for the first time, quantitative interaction (synergy) between these factors in a 3D culture system. We then isolated passive and active components of tension within the micro-tissues and found that cells cultured with high levels of stiffness and TGF-β1 expressed myofibroblast markers and generated substantial residual tension in the matrix yet, surprisingly, were not able to generate additional tension in response to membrane depolarization signifying a state of continual maximal contraction. In contrast, negligible residual tension was stored in the low stiffness and TGF-β1 groups indicating a lower potential for shrinkage upon release. We then studied if ECM could be generated under the low tension environment and found that TGF-β1, but not EGF, increased de novo collagen accumulation in both low and high tension environments roughly equally. Combined, these findings suggest that isometric cell force, passive retraction, and collagen production can be tuned by independently altering boundary stiffness and TGF-β1 concentration. In the second part, by using the quantitative information obtained from the first part, we investigated the effects of dynamic changes in stiffness on cell phenotype in a 3D protein matrix, quantitatively. Our novel method utilizing magnetic force to constrain the motion of one of two flexible posts between which VIC-populated micro-tissues were cultured effectively doubled the boundary stiffness and resulted in a significant increase in cell-generated forces. When the magnetic force was removed, the effective boundary stiffness was halved and the tissue tension dropped to 65-87% of the peak value. Surprisingly, following release the cell-generated forces continued to increase for the next two days rather than reducing down to the homeostatic tension level of the control group with identical (but constant) boundary stiffness. The rapid release of tension with the return to baseline boundary stiffness did not result in a decrease in number of cells with α-SMA positive stress fibers or an increase in apoptosis. When samples were entirely released from the boundaries and cultured free floating (where tension is minimal but cannot be measured), the proportion of apoptotic cells in middle region of the micro-tissues increased more than five-fold to 31%. Together, these data indicate that modest temporary changes in boundary stiffness can have lasting effects on myofibroblast activation and persistence in 3D matrices, and that a large decrease in the ability of the cells to generate tension is required to trigger de-differentiation and apoptosis. "

L’insuffisance rénale chronique et la dysfonction chronique de l’allogreffe (DCA) sont associées à la fibrogenèse rénale, qui représente un enjeu majeur en santé publique et nécessite l’exploration de nouvelles cibles thérapeutiques. Dans ce contexte, nous avons étudié l’expression des gènes modulés au cours d’un modèle reconnu de fibrogenèse chez la souris (le modèle d’obstruction urétérale unilatéral, ou OUU). L'expression du gène codant pour le récepteur cannabinoïde apparait sept fois augmentée dans les reins pathologiques comparée à leurs contrôles internes. L’expression du récepteur est également significativement augmentée dans plusieurs types de néphropathies et au cours de la DCA chez l’homme. Le système cannabinoïde se compose de deux types de récepteurs, le type 1 (CB1) et le type 2 (CB2). Ceux-ci jouent des rôles opposés au cours de la fibrose hépatique, suggérant que l’inactivation de CB1 et l’activation de CB2 pourraient constituer une thérapeutique anti-fibrosante d’intérêt, indépendamment de leur implication dans le syndrome métabolique. Ainsi, nous avons montré pour la première fois que le blocage de CB1 par invalidation génétique ou par inhibition pharmacologique permet une réduction significative de la fibrose rénale induite par OUU. La potentialisation de cet effet par l’administration d’un agoniste sélectif de CB2 ne semble en revanche pas relevante, illustrant le rôle prédominant de CB1 dans ce modèle. L’étude du mécanisme réalisée in vitro sur des myofibroblastes primaires activés au TGF-β1 révèle une expression de CB1 augmentée, associée à une synthèse de collagènes significativement bloquée après un traitement par un antagoniste sélectif de CB1. Ceci suggère que l’effet anti-fibrosant dépendant de CB1 agit directement sur le myofibroblaste. Ainsi, nos travaux montrent pour la première fois l’effet anti-fibrosant de l’inactivation de CB1, avec une action directe sur la cellule effectrice de la fibrose, suggérant que CB1 représente une nouvelle cible thérapeutique et un médiateur majeur de la fibrose rénale. Son expression dans les néphropathies humaines des reins natifs présente une forte corrélation avec le taux de créatinine et pourrait constituer un nouveau biomarqueur d’atteinte rénale. / Chronic kidney disease, secondary to renal fibrogenesis, is a burden on public health. In the present study, we show that the cannabinoid 1 receptor (CB1) may be a new pathway in renal fibrogenesis, independently of its involvement in metabolic disease. We found that CB1 expression was highly expressed in kidney biopsies of patients suffering from IgA nephropathy, diabetes, and acute interstitial nephritis. We also used an experimental model of renal fibrosis, the unilateral ureteral-obstruction model, in mice. Both genetic and pharmacological invalidation of CB1 induced a profound reduction in renal fibrosis, showing its prominent role in renal fibrosis. Cannabinoid receptor 2 is also involved in renal fibrogenesis but does not potentialize the role of CB1. CB1 expression is drastically increased in myofibroblasts upon TGFß-1 stimulation. The decrease in renal fibrosis during CB1 invalidation is explained by a direct action on myofibroblasts: CB1 blockade reduced collagen expression in vitro. In addition, CB1 also modulates the macrophage infiltrate responsible for renal fibrosis in unilateral ureteral obstruction through a decrease in MCP1 synthesis, a major chemoattractant cytokine. Our study strongly suggests a major role for CB1 in the activation of myofibroblasts, which are the main effector cells in renal fibrogenesis, and suggests that CB1 may represent a major new target for treating chronic kidney disease.

Tendonopathy, resulting in the loss of mechanical strength of a tendon, is a serious health problem affecting many people. The common symptom of tendonopathy is pain – patients' daily activities, their participation in sport and exercise, and their ability to work are greatly compromised. Tendonopathy is considered to be a degenerative disorder caused by repetitive injury of the tendon. The most common tendon lesions are Achilles tendon rupture, lateral epicondylitis (tennis elbow) and rotator cuff tear. However, in spite of its clinical significance, our knowledge about tendonopathy is still very poor. This research was undertaken to investigate the pathology of tendonopathy. It is proposed that apoptosis, autophagic cell death and myofibroblasts play a role in the progression of tendonopathy in the rotator cuff; the aim of this study was therefore to determine if this was indeed the case. Tendon tissues were collected from 30 patients suffering from rotator cuff tears. A terminal deoxynucleotidyl transferase biotin-dUTP nick end labelling (TUNEL assay) was performed to detect apoptosis. Autophagic cell death of the tenocytes in the ruptured rotator cuff tendon was detected by immunohistochemical staining for ubiquitin. Myofibroblasts were identified immunohistochemically with anti-alpha-smooth muscle actin (anti--SMA) antibody. The distribution of apoptosis, autophagic cell death and myofibroblasts, as well as the total cell density, were assessed respectively and were correlated using a four-category (i.e. graded from 0-3) degeneration of collagen matrix. – 6 – The results showed that apoptosis, autophagic cell death and myofibroblasts were observed in all of the samples. The highest percentage of autophagic cell death was evidenced in the Grade 2 matrix, while the percentage of apoptosis increased significantly with the increase of matrix degeneration from Grade 0-3; a similar pattern was found for myofibroblasts. The total cell numbers varied among the matrix grades, with the maximum and minimum percentages occurring in Grades 1 and 3, respectively. It can be concluded that apoptosis, autophagic cell death and myofibroblasts might be closely related to the damage of the extracellular matrix (ECM) structure.

Les mécanismes de la fibrogenèse hépatique liée à l'infection chronique par le virus de l'hépatite C (VHC) sont encore mal connus. L'activation de la fibrogenèse semble fortement associée à la réaction inflammatoire locale. Néanmoins le rôle direct du VHC dans le processus fibrogène n'a pas été étudié. Notre hypothèse est que la fibrose peut être au moins en partie directement induite par le VHC, indépendamment de la réponse immune de l'hôte.L'un des aspects inhérents à ce postulat est qu'une relation directe pourrait exister entre les particules du VHC et l'activation des principaux acteurs cellulaires de la fibrogenèse hépatique, les cellules étoilées du foie (CEFs). Ainsi, les objectifs de ce projet ont été d'étudier in vitro, la capacité du VHC à activer les CEFs humaines mais d'abord d'explorer la relation existant entre cette activation et une éventuelle infection de ces cellules par le VHC. Afin d'analyser la permissivité des CEFs à l'infection par le VHC, nous avons combiné plusieurs modèles originaux du VHC, tels que le clone infectieux JFH1, des rétrovirus pseudotypés avec les protéines d'enveloppe du VHC et le réplicon sous-génomique, avec deux modèles cellulaires de CEFs relevant (des cultures primaires humaines et la lignée immortalisée LX2). En conclusion, nous avons démontré que les CEFs humaines sont réfractaires à la fois à l'entrée et à la réplication du VHC. Ces résultats n'écartent cependant pas l'hypothèse d'une interaction directe entre les particules du VHC et la surface des CEFs dans l'activation fibrogénique de ces cellules. Le rôle des protéines d'enveloppe virales sous leur conformation native dans l'activation des CEFs fût étudié en incubant des ppVHC avec les CEFs. Malgré des résultats préliminaires encourageants, la question d'une activation éventuelle des CEFs en culture après contact avec des particules virales du VHC, et ce indépendamment d'une entrée et/ou d'une réplication virale, n'a pu être confirmé et reste encore sans réponse.Un second aspect est que l'expression in vivo de l'ensemble des protéines du VHC dans les hépatocytes pourrait jouer un rôle dans le déclenchement et la progression de la fibrose portale. Nous avons démontré pour la première fois que l'expression hépatocytaire in vivo des protéines du VHC chez des souris transgéniques, les FL-N/35, soumises à un traitement fibrogénique (injection chronique de CCl4) était associée à une fibrose augmentée, et ce de manière indépendante de l'inflammation locale. Cette fibrose augmentée chez les FL-N/35 s'accompagnait d'une production augmentée de d'espèces réactives de l'oxygène intrahépatocytaires, d'une réaction ductulaire caractérisée notamment par une expansion de cellules progénitrices hépatiques (CPHs), et d'une l'inhibition de la prolifération hépatocytaire. On notera également que cette fibrose portale corrélait avec l'expansion des CPHs portales, corollaire implicite de l'inhibition de la prolifération hépatocytaire. Ces observations, également observé chez les patients infectés par le VHC, suggèrent que la RD associée à une altération de la prolifération hépatocytaire jouerait un rôle dans la fibrose portale. Le modèle de souris utilisé présentant une expression intrahépatocytaire des protéines du VHC, nos résultats suggèrent implicitement une perturbation de l'homéostasie hépatocytaire comme point de départ des altérations observées dans cette étude. Afin de caractériser in vivo les altérations de la progression du cycle cellulaire hépatocytaire et d'identifier le mécanisme sous-jacent chez ces souris, un modèle de régénération hépatique, induit par l'injection d'une forte dose de l'hépatotoxique CCl4 a été utilisé. Nos résultats ont mis en évidence une inhibition de la transition G1/S associée à une activation de la voie ATM de réponse aux dommages à l'ADN causés par un stress oxydant exacerbé dans les hépatocytes de souris exprimant les protéines du VHC. / Les mécanismes de la fibrogenèse hépatique liée à l'infection chronique par le virus de l'hépatite C (VHC) sont encore mal connus. L'activation de la fibrogenèse semble fortement associée à la réaction inflammatoire locale. Néanmoins le rôle direct du VHC dans le processus fibrogène n'a pas été étudié. Notre hypothèse est que la fibrose peut être au moins en partie directement induite par le VHC, indépendamment de la réponse immune de l'hôte.L'un des aspects inhérents à ce postulat est qu'une relation directe pourrait exister entre les particules du VHC et l'activation des principaux acteurs cellulaires de la fibrogenèse hépatique, les cellules étoilées du foie (CEFs). Ainsi, les objectifs de ce projet ont été d'étudier in vitro, la capacité du VHC à activer les CEFs humaines mais d'abord d'explorer la relation existant entre cette activation et une éventuelle infection de ces cellules par le VHC. Afin d'analyser la permissivité des CEFs à l'infection par le VHC, nous avons combiné plusieurs modèles originaux du VHC, tels que le clone infectieux JFH1, des rétrovirus pseudotypés avec les protéines d'enveloppe du VHC et le réplicon sous-génomique, avec deux modèles cellulaires de CEFs relevant (des cultures primaires humaines et la lignée immortalisée LX2). En conclusion, nous avons démontré que les CEFs humaines sont réfractaires à la fois à l'entrée et à la réplication du VHC. Ces résultats n'écartent cependant pas l'hypothèse d'une interaction directe entre les particules du VHC et la surface des CEFs dans l'activation fibrogénique de ces cellules. Le rôle des protéines d'enveloppe virales sous leur conformation native dans l'activation des CEFs fût étudié en incubant des ppVHC avec les CEFs. Malgré des résultats préliminaires encourageants, la question d'une activation éventuelle des CEFs en culture après contact avec des particules virales du VHC, et ce indépendamment d'une entrée et/ou d'une réplication virale, n'a pu être confirmé et reste encore sans réponse.Un second aspect est que l'expression in vivo de l'ensemble des protéines du VHC dans les hépatocytes pourrait jouer un rôle dans le déclenchement et la progression de la fibrose portale. Nous avons démontré pour la première fois que l'expression hépatocytaire in vivo des protéines du VHC chez des souris transgéniques, les FL-N/35, soumises à un traitement fibrogénique (injection chronique de CCl4) était associée à une fibrose augmentée, et ce de manière indépendante de l'inflammation locale. Cette fibrose augmentée chez les FL-N/35 s'accompagnait d'une production augmentée de d'espèces réactives de l'oxygène intrahépatocytaires, d'une réaction ductulaire caractérisée notamment par une expansion de cellules progénitrices hépatiques (CPHs), et d'une l'inhibition de la prolifération hépatocytaire. On notera également que cette fibrose portale corrélait avec l'expansion des CPHs portales, corollaire implicite de l'inhibition de la prolifération hépatocytaire. Ces observations, également observé chez les patients infectés par le VHC, suggèrent que la RD associée à une altération de la prolifération hépatocytaire jouerait un rôle dans la fibrose portale. Le modèle de souris utilisé présentant une expression intrahépatocytaire des protéines du VHC, nos résultats suggèrent implicitement une perturbation de l'homéostasie hépatocytaire comme point de départ des altérations observées dans cette étude. Afin de caractériser in vivo les altérations de la progression du cycle cellulaire hépatocytaire et d'identifier le mécanisme sous-jacent chez ces souris, un modèle de régénération hépatique, induit par l'injection d'une forte dose de l'hépatotoxique CCl4 a été utilisé. Nos résultats ont mis en évidence une inhibition de la transition G1/S associée à une activation de la voie ATM de réponse aux dommages à l'ADN causés par un stress oxydant exacerbé dans les hépatocytes de souris exprimant les protéines du VHC.