The Interleukin 13 receptor system : a novel pathomechanism involved in pulmonary arterial hypertension

Abstract

Idiopathic pulmonary arterial hypertension (IPAH) is characterized by medial hypertrophy and pulmonary artery smooth muscle cell (paSMC) proliferation in pulmonary arteries. Interleukin (IL)-13 is a potent regulator of tissue fibrosis and remodeling, and its effects are dependent on the cell-type specific expression of the IL-13 receptor isotypes IL-4Ralpha, IL-13Ralpha1, and IL-13Ralpha2. This study analyzed the expression of the IL-13 receptors in IPAH in vivo and paSMC ex vivo, and the effects of IL-13 stimulation on paSMC proliferation and apoptosis. Using quantitative RT-PCR and immunohistochemistry, we detected an increased expression of IL-13Ralpha2, but not IL-4Ralpha, or IL-13Ralpha1, in lungs of IPAH patients compared with controls (transplant donors). Similar results were obtained in lungs of mice subjected to chronic hypoxia-induced pulmonary hypertension or rats exposed to monocrotaline. Immunohistochemistry and laser-captured microdissection analysis further demonstrated a strong localization of IL-13Ralpha2 to paSMC. Functional analysis using freshly isolated paSMC revealed that IL-13 induced a dose-dependent growth inhibition, without inducing apoptotic effects. This anti-proliferative effect of IL-13 was due to G0/G1 cell cycle arrest and phosphorylation of STAT3 and STAT6 in paSMC. Finally, ectopic overexpression of IL-13Ralpha2 in primary paSMC attenuated the anti-proliferative effect exerted by IL-13, and diminished IL-13-induced STAT3 and 6 phosphorylation. Our studies thus demonstrate that IL-13 is a potent anti-proliferative regulator of paSMC. Up-regulation of the decoy receptor IL-13Ralpha2 on paSMC in IPAH leads to a loss of this anti-proliferative effect and therefore enhanced paSMC proliferation during the pathogenesis of the disease.Furthermore, microarray analysis revealed that IL-13 induced a massive downregulation of the pro-proliferative endothelin-1 in paSMC, a finding that was also confirmed on protein level. Thus, the described anti-proliferative effect of IL-13 on paSMC might be mediated by a downregulation of endothelin-1. Idiopathische pulmonale Hypertonie (IPAH) ist charakterisiert durch eine Mediahypertrophie und Proliferation der pulmonalen glatten Gefäßmuskelzellen (paSMC). Interleukin-13 (IL-13) ist ein potenter Regulator von Gewebefibrose mit entsprechenden Umbauprozessen (remodeling) und seine biologischen Effekte sind abhängig vom zelltypspezifischen Expressionsmusters der IL-13 Rezeptor Isotypen IL-4Ralpha, IL-13Ralpha1 und IL-13Ralpha2. In der vorliegenden Studie untersuchten wir die Expression der IL-13 Rezeptoren in Proben von Lungen, entnommen von IPAH Patienten, in vivo und paSMC ex vivo und ferner die Effekte der IL-13 Stimulation auf die Proliferation und Apoptose von paSMC.Mittels quantitativer RT-PCR und Immunohistochemie konnten wir eine verstärkte Expression von IL-13Ralpha2, nicht aber von IL-4Ralpha und IL-13Ralpha1, in Lungen von IPAH-Patienten im Vergleich zu Kontrollpatienten detektieren. Ähnliche Resultate konnten in Lungen von Mäusen mit durch chronischer Hypoxie ausgelöster pulmonaler Hypertonie und dem Monokrotalin-Rattenmodell beobachtet werden. Untersuchungen mittels Immunhistochemie und Laser-gestützter Mikrodissektion zeigten weiterhin eine starke Lokalisation von IL-13Ralpha2 in paSMC. Funktionelle Analysen an frisch isolieren paSMC zeigten, dass IL-13 eine dosis-abhängige Inhibition des Zellwachstums ohne apoptotische Effekte induziert. Dieser anti-proliferative Effekt von IL-13 beruhte auf einem Stopp des Zellzyklus in der G0/G1-Phase und einer Phosphorylierung von STAT3 und STAT6 in paSMC. Überexpression von IL-13Ralpha2 führte zu einer signifikanten Abnahme der IL-13 induzierten Wachshemmung und verringerte die zuvor beobachtete Phosphorylierung von STAT3 und STAT6. Weiterführende Microarray-Untersuchungen zeigten u.a., dass IL-13 zu einer stark reduzierten Genexpression des pro-proliferativen Endothelin-1 in paSMC führt. Unsere Studie zeigt, dass IL-13 ein potenter anti-proliferativer Regulator des paSMC-Wachstums ist, was durch eine IL-13-induzierte Minderexpression von Endothelin-1 erklärt werden kann. Verstärkte Expression von IL-13Ralpha2 auf paSMC von IPAH Patienten führt zu einem Verlust dieses anti-proliferativen Effekts und deshalb einer gesteigerten Proliferation der paSMC im Verlauf der Erkrankung.