Characterization of distal vessel remodelling in chronic thromboembolic pulmonary hypertension

Abstract

Chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) is a rare disease, with an epidemiology similar to that of pulmonary arterial hypertension (PAH). CTEPH is a subgroup of pulmonary hypertension (PH) with a cumulative incidence between 0.1% and 9.1% in patients with reported pulmonary embolism. The state-of-the-art therapeutic strategy is pulmonary endarterectomy (PEA). Yet, approximately 60% of the patients are eligible for surgery and significant number of patients develop persistent/recurrent PH after PEA. Furthermore, around 25% of patients with subsegmental obstruction are candidates for balloon angioplasty (BPA), and/or medical therapy, developed and used in the past few years. Hence, better understanding of the pathophysiology and molecular mechanisms driving the CTEPH is mandatory in order to identify effective treatments especially for patients with absence of proximal obliteration. The existence of microvascular disease in CTEPH, indistinguishable from idiopathic PAH (IPAH) was at first acknowledged by Moser and Bloor in a lung tissues obtained from biopsy or at autopsy of CTEPH patients. On one hand, the vascular lesions exhibited eccentric intimal fibrosis, intimal fibromuscular proliferation, medial hypertrophy and presence of plexiform lesions. On the other hand, it was postulated that the vascular remodelling distal to the thromboembolic obstruction may be similarly distributed in the lung areas of complete and non-complete occlusion CTEPH. Based on prior research, the following research questions are of interest to better understand the CTEPH: (1) Are the molecular and histological imprints of CTEPH comparable or distinct to the extensively studied PAH? (2) Are there significant differences from histological or molecular aspect between the vascular lesions in proximal (central) and distal (peripheral) CTEPH? (3) Is the small vessel arteriopathy homogeneously distributed in different lobes, irrespective of the site of the disease? (4) Are the lung biopsies from patients who develop PH due to sarcoma resembling the classical histopathological changes observed in CTEPH? (5) What is the functional role of the unbiasedly selected targets in terms of development or maintenance of CTEPH?In order to answer these research questions, this thesis aim to histologically and molecularly characterize the end-stage CTEPH enfolding several facets and further, the ongoing CTEPH in terms of central and occluded (completely and non-completely) vascular lesions. First, multi-centre human samples have been collected and investigated to identify whether vascular remodelling in the end-stage CTEPH is as similar as in the other groups of PH, esp. in the well-studied idiopathic PAH group. Different morphometric approaches were applied to assess the vascular remodelling. Next, the analysis of global transcriptional landscape in CTEPH and IPAH was performed from laser capture microdissected vessels, to identify the common or the unique mechanisms driving small vessel arteriopathy in CTEPH as compared to IPAH. These findings suggest that the distal vascular remodelling in CTEPH, resemble vascular remodelling in IPAH. Furthermore, CTEPH manifests significantly divergent global transcriptional landscape in comparison to IPAH.Second, the results show that central manifest similar histological changes as peripheral CTEPH, while the global transcriptional landscape of central CTEPH manifests similar and unique signaling pathways in contrast to the peripheral CTEPH. Third, the results show that small vessel arteriopathy is homogeneously distributed in different lobes, irrespective of the site of the disease. Forth, similarly patients who develop PH due to sarcoma and underwent PEA present comprehensive vascular remodelling, similar to end-stage CTEPH patients. Fifth, it is revealed that CHI3L1 and ENPP2, differently regulated genes between CTEPH and IPAH, and similarly regulated in proximal and distal CTEPH, are involved in pulmonary vascular remodelling in vitro and ex vivo via regulation of pro-proliferative, pro-migratory and pro-contractile mechanisms, suggesting a potential contribution to the pathogenesis of CTEPH.Taken together, further studies are needed to understand how exact factors, such as high share stress, hypoxia or inflammatory molecules trigger the interlaying pathological and molecular mechanisms in CTEPH. Chronische thromboembolische pulmonale Hypertonie (CTEPH) ist eine seltene Krankheit mit einer Epidemiologie, die der pulmonalen arteriellen Hypertonie (PAH) ähnelt. CTEPH ist eine Untergruppe der pulmonalen Hypertonie (PH), die zwischen 0,1% und 9,1% bei Patienten mit einer gemeldeter Lungenembolie auftritt. Die beste bekannte Therapiestrategie ist die pulmonale Endarteriektomie (PEA). Allerdings kommen nur etwa 60% der Patienten für eine Operation in Frage und eine signifikant höhere Anzahl von Patienten entwickelt eine persistierende/rezidivierende PH nach der PEA. Weiterhin sind rund 25% der Patienten mit subsegmentaler Obstruktion Kandidaten für eine Ballonangioplastie (BPA) und/oder eine medizinische Therapie, die in den letzten Jahren entwickelt und angewendet wurde. Daher ist ein besseres Verständnis der Pathophysiologie und der molekularen Mechanismen, die die Entwicklung von CTEPH treiben und beeinflussen, unabdingbar, um wirksame alternative Therapien zu identifizieren. Dies gilt insbesondere für Patienten ohne proximale Obliteration. Kleingefäßerkrankungen bei CTEPH identisch zur idiopathischen PAH (IPAH) wurden als erstes von Moser und Bloor in durch Biopsie oder Autopsie von Patienten gewonnenem Lungengewebe nachgewiesen. Einerseits zeigten die Gefäßläsionen eine exzentrische Intimalfibrose, mediale Hypertrophie sowie das Vorhandensein plexiformer Läsionen. Andererseits wurde postuliert, dass die vaskuläre Remodellierung distal zu der thromboembolischen Obstruktion eine ähnliche Verteilung in den Lungenbereichen der vollständigen und nicht vollständigen CTEPH-Okklusion aufweist.Basierend auf vorheriger Forschung sind die folgenden Fragen für ein besseres Verständnis von CTEPH von Interesse: (1) Sind die molekularen und histologischen Abdrücke von CTEPH mit denen der intensiv untersuchten PAH vergleichbar oder verschieden? (2) Gibt es signifikante Unterschiede aus histologischer oder molekularer Perspektive zwischen den Gefäßläsionen bei proximaler (zentraler) und distaler (peripherer) CTEPH? (3) Ist die kleine Gefäßarteriopathie unabhängig vom Ort der Erkrankung homogen in verschiedenen Lappen verteilt? (4) Sind die Lungenbiopsien von Patienten, die aufgrund eines Sarkoms eine PH entwickeln, den bei CTEPH beobachteten klassischen histopathologischen Veränderungen ähnlich? (5) Welche funktionale Rolle spielen die zufällig ausgewählten Ziele bei der Entwicklung oder dem Bestehen von CTEPH?Um diese Fragen zu beantworten, hat die vorliegende Arbeit das Ziel CTPEH im Endstadium histologisch und molekular aus verschiedenen Sichtweisen zu charakterisieren. Darüber hinaus soll eine bestehende CTEPH in Bezug auf zentrale und verschlossene (vollständig und nicht vollständig) Gefäßläsionen untersucht werden.Erstens wurden multizentrische humane Proben gesammelt und untersucht, ob die vaskuläre Remodellierung im CTEPH-Endstadium ähnlich zu anderen Gruppen von PH ist, insbesondere in der extensiv untersuchten Gruppe der idiopathischen PAH. Dazu wurden verschiedene morphometrische Ansätze wie die mediale Wandstärke, das Neointima / Media-Verhältnis und die Kollagenablagerung genutzt, um die Remodellierung der Gefäße zu messen und zu bewerten. Weiterhin wurden die globalen Transkriptionslandschaften in CTEPH und IPAH an mikrodissezierten Gefäßen mit Lasereinfang analysiert. Anschließend wurden Microarrays und eine bioinformatische Analyse durchgeführt, um die gemeinsamen oder einzigartigen Mechanismen zu identifizieren, die die Arteriopathie kleiner Gefäße in CTEPH im Vergleich zu IPAH treiben. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die distale Gefäßumbildung bei CTEPH derjenigen bei IPAH ähnelt. Darüber hinaus weist CTEPH im Vergleich zu IPAH eine signifikant abweichende globale Transkriptionslandschaft auf.Zweitens zeigen die Ergebnisse, dass die zentrale ähnliche histologische Veränderungen aufweist wie die periphere CTEPH. Allerdings zeigt die globale Transkriptionsregulationslandschaft der zentralen CTEPH im Gegensatz zur peripheren CTEPH zwar ähnliche aber auch einzigartige Regulation der Signalwege.Drittens hat sich gezeigt, dass die Arteriopathie der kleinen Gefäße unabhängig vom Ort der Erkrankung homogen in verschiedenen Lappen verteilt ist. Interessanterweise zeigten sowohl die vorher als auch hinterher betroffene Stelle eine ähnliche Verteilung der Intensität der Gefäßumbildung. Viertens, weisen Patienten, die aufgrund eines Sarkoms eine PH entwickeln sowie eine PEA durchlaufen haben, eine umfassende Gefäßumbildung ähnlich wie CTEPH-Patienten im Endstadium auf.Fünftens zeigt sich, dass CHI3L1 und ENPP2, unterschiedlich regulierte Gene zwischen CTEPH und IPAH und ähnlich reguliert in proximaler und distaler CTEPH, in vitro und ex vivo an der Remodellierung der Lungengefäße beteiligt sind. Dies erfolgt durch positive Wachstums-, Migrations- und Kontraktile-Mechanismen, die auf einen möglichen Beitrag zur Pathogenese von CTEPH hindeuten.