Analyses of fibroblast growth factor signaling in lung fibrosis

Abstract

Increased fibroblast growth factor 10 (Fgf10) expression in vivo and administration of exogenous FGF7 recombinant protein enhance lung repair due to bleomycin injury by sending survival signals to lung epithelial cells via tyrosine kinase fibroblast growth factor receptor 2b (Fgfr2b). Given the prophylactic effects of FGF7 and therapeutic effects of FGF10 during bleomycin injury in mice, it was hypothesized that activation of the Fgfr2b endogenous pathway is critical for lung repair after bleomycin injury in mice. Furthermore, as new studies for the treatment of Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) have begun to target tyrosine kinases, the aim was to 1) assess the levels of FGF10 and FGF7 signaling in end-stage IPF lungs, 2) assess the level of recruitment of the endogenous Fgfr2b pathway after bleomycin lung injury in mice, and 3) assess the effect of FGF10 treatment on IPF fibroblasts in vitro.Compared to donor, non-IPF controls, FGF7 and FGF10 transcripts were increased in end-stage IPF patient lung homogenates. However, receptors as well as downstream targets of FGF7 and 10 were significantly decreased. In contrast, wild type mice undergoing spontaneous repair after bleomycin injury, expressed Fgf10 and downstream targets from 14 days post injury, indicating potential recruitment of this pathway during repair. Using three different genetic mouse lines congenitally deficient in endogenous Fgfr2b signaling, we found that Fgf10 deficient animals incurred the highest trend towards increased fibrosis. Surprisingly, in a fourth mouse line allowing for induction of a soluble, dominant negative Fgfr2b receptor, induced mice did not show increased bleomycin-induced fibrosis compared to non-induced controls. Thus FGFR2b ligands signaling seemed to be recruited in a model of spontaneous repair, and dysregulated in non- repairing IPF patients. Thus the endogenous FGFR2b pathway may be redundant with other repair pathways in mice, as attenuating it did not result in a significant increase in bleomycin- induced fibrosis.IPF fibroblasts responded to FGF10 treatment by decreasing their size, increasing proliferation and increasing expression of lipofibroblast markers. In addition, FGF10 inhibited transforming growth factor beta (TGF-ß) stimulated induction of TGF-ß signaling downstream target, pSMAD3. Likewise the ability of FGF10 to reduce cell size and inhibit TGF-ß signaling in IPF fibroblasts, suggests that it could effectively mediate a contractile to synthetic-like phenotype, which may be an important step towards UIP lesion repair.Taken together, this work highlights and discusses 1) the attenuation of FGFR2b ligand signaling in end-stage IPF, 2) FGFR2b signaling recruitment in wild type mice during bleomycin injury, yet redundant role in injury, and 3) the potential therapeutic effect of FGF10 given the effects of treatment on IPF fibroblasts. Eine in-vivo erhöhte Expression von Fibroblasten-Wachstumsfaktor 10 (FGF10) und exogene Verabreichung von rekombinanten FGF7 Protein fördert über Signalwege des Tyrosinkinase-abhängigen Fibroblastenwachstumsfaktor-Rezeptors r2b (Fgfr2b) an das Lungenepithel die Lungenregeneration nach Bleomycin-induzierter Lungenfibrose. Angesichts der prophylaktischen Wirkungen von FGF7 und therapeutischen Wirkungen von FGF10 für die Bleomycin-induzierte Lungenschädigung im Mausmodell, lautet unsere Hypothese, dass die Aktivierung des endogenen FGFR2b Signalweges in diesem Zusammenhang eine kritische Rolle spielt. Darüber hinaus, wird in neuen klinischen Studien zur Behandlung von idiopathischer pulmonaler Fibrose (IPF) die Blockade von Tyrosin-Kinasen untersucht. Die vorliegende Arbeit hat folgendes zum Ziel: 1) Das Ausmaß der pulmonalen FGF10 und FGF7 Signalwege im Endstadium von IPF zu beurteilen, 2) Das Ausmaß der Aktivierung des endogenem FGFR2b Signalweges nach Bleomycin-induzierte Lungenschädigung bei Mäusen zu evaluieren und 3) Den Effekt der Behandlung von IPF Fibroblasten mit FGF10 in-vitro zu untersuchen.Im Vergleich zum Spender (Kontrollgruppe ohne IPF), waren FGF7 und FGF10 Transkripte in Lungenhomogenaten von IPF Patienten im Endstadium erhöht. Allerdings waren die Expression der Rezeptoren sowie nachgeschaltete Signalwege von FGF7 und 10 signifikant erniedrigt. Im Gegensatz dazu wiesen Wildtyp-Mäuse, die ab Tag 14 nach Bleomycin-induzierte Lungenschädigung eine spontane Lungenregeneration zeigten, eine Aktivierung des FGF10 Signalweges auf. Dies weist darauf hin, dass der FGF 10 Signalweg eine potentielle Rolle während der Lungenregeneration spielen könnte. Unter den drei verwendeten verschiedenen genetischen Mauslinien mit kongenital reduziertem endogenem FGFR2b Signalweg, stellten wir fest, dass die konstitutiv FGF10 defizienten Mäuse den höchsten Trend zur vermehrten Fibrosebildung zeigten. Überraschenderweise, zeigte sich in einer vierten transgenen Mauslinie, in der die Expression eines dominant negativen FGFR2b Rezeptor induziert werden kann, in der Gruppe mit induzierte Blockade des FGFR2B Signalweges im Vergleich zur Kontrollgruppe keine vermehrte Fibrosebildung. Schlußfolgern einerseits wird, dass der FGFR2b Signalweg bei der spontanen Regeneration rekrutiert wird und in nicht-regenerierenden IPF-Patienten im Endstadium fehlreguliert ist. Andererseits, scheint neben dem endogenen FGFR2b Signalweg andere regenerative Signalwege zu existieren, da eine Blockade dieser nicht zur vermehrten Fibrosebildung führte. Obwohl es kann mit anderen Reparaturwege bei Mäusen redundant sein, als mildernde es nicht in einem deutlichen Anstieg der Bleomycin-induzierten Fibrose führen. IPF Fibroblasten reagierten auf die in-vitro FGF10 Behandlung mit eine Reduktion der Zellgröße sowei eine Erhöhung der Proliferation und der Expression von Marker für Lipofibroblasten. Darüber hinaus führte die in-vitro Behandlung mit FGF10 zur Hemmung des TGF-ß (transformierenden Wachstumsfaktor beta ) Signalweges, was an der Reduktion des nachgeschalteten Signalproteins pSMAD3 gezeigt werden konnte.Die Fähigkeit von FGF10, die Zellgröße der IPF Fibroblasten zu reduzieren und den TGF-ß Signalweg zu hemmen, deutet darauf hin, dass FGF10 womöglich in der Lage sein könnte, die Veränderungen der Fibroblasten vom kontraktilen zum synthetischen Phänotyp zu fördern. Dies stellt ein wichtiger Schritt in der Regeneration der UIP (Usual Interstitial Pneumonia) Läsionen dar. Zusammenfassend handelt die vorliegende Arbeit von 1) der Abschächung des endogenen FGFR2b Signalweges im Endstadium von IPF Patienten, 2) der Rekrutierung des FGFR2b Signalweges im Rahmen der spontanen Regeneration nach Bleomycin-induzierter Lungenschädigung bei Wildtyp-Mäusen und 3) der potentiellen therapeutisch Wirkung von FGF10 auf der Grundlage der in-vitro Daten an IPF Fibroblasten.