Visualization of cGMP signaling in the prostate

Abstract

Prostatic enlargement due to benign prostatic hyperplasia (BPH) and/or prostate cancer are ubiquitous in aging men. While prostate cancer represents the sixth leading cause for cancer-related death worldwide, BPH is known to result in urinary retention and recurrent infections which adversely influences the quality of life among older men. Although inhibitors of the cGMP-hydrolyzing enzyme phospodiesterase 5 (PDE5) are now regularly used for the treatment of BPH, detailed information about their cellular localization and function within the prostate is missing. In prostate tissue of mouse, rat and man, PDE5 was shown to be highly expressed in interstitial and vascular smooth muscle cells (SMCs) but not in epithelial cells of the gland. The newly established CLARITY approach helped to improve our understanding of the prostatic architecture on a three-dimensional level and allowed highly precise reconstructions of the arrangement of PDE5-expressing SMCs. Moreover, this method demonstrated that the interstitial periglandular SMCs in rat prostate are arranged tighter around the glands than in the human prostate. Spontaneous contractions of these SMCs were visualized by the use of time lapse-imaging in both, rodents and men. Addition of the PDE5 inhibitor sildenafil resulted in a significant reduction of the crontractile frequency in both tissues. In rat prostate, spontaneous contractility was only observed in terminal prostatic glands but not in proximal ducts.The regulatory role of sex hormones on the cGMP pathway within prostatic SMCs was another important aspect of this study. In rat, androgen deprivation was induced via castration which increased the expression of prostatic cGMP pathway components considerably. Using estrogen-deficient aromatase knockout (ArKO) and -overexpressing (AROM+) mice, we found only glandular but not vascular smooth muscle cells affected by changes of hormone levels. These findings were consistent even in the human prostate by culturing of isolated prostatic interstitial cells as mRNA expression of cGMP pathway components increased with decreased concentrations of testosterone pretreatment. Data, showing relevant PDE5 effects and their androgen-dependent regulation might be helpful to clarify whether PDE5 inhibitors as new therapeutics aspects for BPH are only effective in case of reduced testosterone levels. Die Vergrößerung der Prostata in Folge einer benignen Prostatahyperplasie (BPH) oder Prostatakarzinoms ist bei Männern im hohen Alter weit verbreitet. Während Prostatakarzinome eine der häufigsten Ursachen für tödlich verlaufende Krebserkrankungen darstellen, beeinträchtigt BPH die Lebensqualität älterer Männer erheblich durch Folgeschäden, wie Harnverhalt und wiederkehrende Infektionen. Obwohl Inhibitoren des cGMP hydrolysierenden Enzyms Phosphodiesterase5 (PDE5) nun auch routinemäßig zur Behandlung von BPH eingesetzt werden, fehlen noch immer detaillerte Informationen über Lokalisation und Funktion in der Prostata. In Gewebeproben der Prostata von Mäusen, Ratten und humanen Spendern konnte die PDE5- Expression in glatten Muskelzellen des Interstitiums und der Gefäße nachgewiesen werden. Hierbei exprimierten die Epithelzellen der Prostatadrüsen jedoch kein PDE5. Ein neu entwickeltes CLARITY-Protokoll half dabei unser Verständnis der Prostataarchitektur um die dritte Dimension zu erweitern und erlaubte eine exakte Rekonstruktionen der räumlichen Anordnung PDE5-exprimierender glatter Muskelzellen. Zudem konnte mit dieser Methodik anschaulich gezeigt werden, dass in der Rattenprostata periglanduläre glatte Muskelzellen eng anliegender und kompakter um die einzelnen Drüsen angeordnet sind, im Vergleich zur humanen Prostata. Spontan auftretende Kontraktionen dieser glatten Muskelzellen konnten mittels time-lapse imaging sichtbar gemacht werden. Dabei führte die Zugabe des PDE5-Inhibitors Sildenafil zu einer signifikant reduzierten Kontraktionsfrequenz in Gewebestücken aus beiden Spezies. Bei der Ratte konnte darüberhinaus gezeigt werden, dass die Spontankontraktionen nur die Drüsenendstücke , aber nicht die Ausführungsgänge betrafen.Die Möglichkeiten zur Regulation des cGMP-Signalwegs durch Geschlechtshormone wurde als ein weiterer wichtiger Punkt näher untersucht. In der Prostata der Ratten wurde die Androgenzufuhr durch Kastration unterbunden, was zu einem deutlichen Anstieg von cGMP-Signalwegskomponenten führte. Unter Verwendung von Mausmodellen, welche einen Aromatase-Knockout (ArKO) bzw. deren -Überexpression (AROM+) aufwiesen, konnte ein Einfluss durch unterschiedliche Hormonlevel auf glatte Muskelzellen gezeigt werden. Dies betraf auschließlich glatte Muskelzellen der Drüsen und hatte keinerlei Effekt auf Gefäßmuskelzellen. Diese Ergebnisse decken sich mit Versuchen mit isolierten interstitiellen Zellen menschlicher Prostatae. Hier konnte ein Anstieg der Expression von cGMP-Signalwegskomponenten durch Inkubation mit sinkenden Testosteronkonzentrationen gezeigt werden. Diese Daten verdeutlichen die Androgen abhängige Regulierung von cGMP-Signalwegskomponenten in glatten Muskelzellen der Prostata, welche dabei helfen könnte, die Frage zu klären, ob PDE5-Inhibitoren als neue Therapeutika für BPH nur unter niedrigen Testosteron-Level wirksam sind.