High-content screen for cardiovascular modulators in zebrafish (Danio rerio)

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2024

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Zusammenfassung

Over the past two decades, cardiovascular diseases (CVDs) have remained the leading cause of death worldwide. Among these diseases, congenital heart disease is the most common type of human birth defect, affecting 1 in 100 live-born infants. It is crucial to identify new therapeutic targets and treatments for CVDs. Zebrafish are a suitable model for this task, as they can provide new insights into CVDs. Further, their small size and translucency make them an ideal model for high-content drug screenings. In this study, a phenotype-based high-content screening approach in zebrafish was established to identify cardiovascular modulators. Utilizing the ‘Acquifer Imaging Machine‘, 1,280 compounds of the Prestwick Chemical Library were screened for angiogenesis and heartbeat phenotypes. The previously established type III receptor tyrosine kinase inhibitor sunitinib malate, which inhibits angiogenesis in zebrafish, was used as a positive control. Additionally, the competitive 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) inhibitor atorvastatin, which was previously shown to cause severe heart phenotypes in zebrafish, served as a positive control for heart rate (HR) and heart morphology. HR was selected as a screening phenotype under the assumption that morphological and functional changes in the heart during development would result in altered HR. In search of angiogenesis modulators, blood vessel diameters of treated fish were measured for 320 of the 1,280 tested compounds. Application of different filters for known toxicities, previously published results and unknown targets, led to the identification of 11 promising hit compounds. Three of these compounds, namely desonide, oxibendazole, and azlocillin sodium salt, directly targeted angiogenesis by significantly reducing the diameter of intersegmental vessels. The remaining nine compounds affected the diameter of the dorsal aorta and/or dorsal vein. Of the 134 compounds significantly altering HR, 21 compounds repeatedly induced significant HR alterations in two different transgenic zebrafish lines. In this study, two main target clusters were identified for HR modulators: the histaminergic receptor H1 (HRH1) and the glucocorticoid receptor (NR3C1). While HRH1 is commonly associated with allergic reactions, it has also been linked to CVDs. All antagonistic hit compounds targeting HRH1 caused significant bradycardia with moderate to severe dose-dependent teratogenicity. In situ hybridization for various hrh probes revealed that hrh1 was the only detectable hrh in the heart at 3 days post fertilization (dpf), indicating its involvement in heart development. Additionally, the heart analysis tool pyHeart4Fish showed chamber-specific effects of HRH1 antagonists. Collectively, the data suggests that hrh1 plays a role in heart contractility and heart size. However, further investigation on the mechanism of action is necessary to comprehend how Hrh1 is involved in cardiogenesis and what long-term effects HRH1 antagonists can have on the developing embryo to determine drug safety for pregnant women. NR3C1 is a ligand-activated transcription factor known to be involved in inflammation, metabolism, and stress response. In this study involving zebrafish larvae, a group of six NR3C1 agonists was found to significantly increase HR at 48 hours post fertilization. While previous research had identified nr3c1's involvement in heart development in zebrafish, its role in arrhythmias remained unclear. Here, expression of nr3c1 was detected in the larval heart at 5 dpf using in situ hybridization. Further analysis using pyHeart4Fish revealed that NR3C1 agonists induced chamber-specific phenotypes, including atrioventricular block. A homology model of zebrafish Nr3c1 was also developed, which suggested that the agonists known to bind in humans may also bind in zebrafish. These findings support the use of zebrafish as a screening model for cardiovascular phenotypes and highlight the potential role of nr3c1 in CVDs.

Beschreibung

In den vergangenen zwei Jahrzehnten waren Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVDs) weltweit die häufigste Todesursache. Unter CVDs sind angeborene Herzkrankheiten die häufigste Art von Geburtsfehlern beim Menschen: 1 von 100 Lebendgeborenen ist davon betroffen. Daher ist es von größter Bedeutung, neue therapeutische Zielgene und Behandlungen für CVDs zu identifizieren. Zebrafische haben sich als geeignetes Modell für diese Aufgabe erwiesen, da sie neue Erkenntnisse über Herz-Kreislauf-Erkrankungen liefern können. Ihre geringe Größe und Lichtdurchlässigkeit machen sie zu einem idealen Modell für High-Content-Screenings. In dieser Studie wurde ein phänotypbasierter High-Content-Screening-Ansatz in Zebrafischen entwickelt, um kardiovaskuläre Modulatoren zu identifizieren. Unter Verwendung der 'Acquifer Imaging Machine' wurden 1.280 Verbindungen aus der Prestwick Chemical Library auf Angiogenese- und Herzschlag-Phänotypen untersucht. Der bereits etablierte Typ-III-Rezeptor-Tyrosinkinase-Inhibitor Sunitinib-Malat, der die Angiogenese im Zebrafisch hemmt, wurde als Positivkontrolle verwendet. Darüber hinaus diente der kompetitive 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA (HMG-CoA)-Inhibitor Atorvastatin, von dem zuvor gezeigt wurde, dass er bei Zebrafischen schwere Herzphänotypen verursacht, als Positivkontrolle für Herzfrequenz (HR) und Herzmorphologie. Die HR wurde unter der Annahme als Screening-Phänotyp ausgewählt, dass morphologische und funktionelle Veränderungen im Herzen während der Entwicklung zu einer veränderten HR führen würden. Von den 134 Verbindungen, die die HR signifikant veränderten, lösten 21 Verbindungen wiederholt signifikante HR-Veränderungen in zwei verschiedenen transgenen Zebrafischlinien aus und wurden daher als valide Hits angesehen. Auf der Suche nach Angiogenese Modulatoren wurden die Blutgefäßdurchmesser von behandelten Fischen für 320 der 1.280 getesteten Substanzen gemessen. Die Anwendung verschiedener Kriterien für z.B. bekannte Toxizitäten, bereits veröffentlichte Ergebnisse und unbekannte Zielmoleküle führte zur Identifizierung von 11 vielversprechenden Substanzen. Drei dieser Substanzen, Desonid, Oxibendazol und Azlocillin-Natriumsalz, wirkten direkt auf die Angiogenese, indem sie den Durchmesser der intersegmentalen Gefäße deutlich verringerten. Die übrigen neun Substanzen beeinflussten den Durchmesser der dorsalen Aorta und/oder der dorsalen Vene. In dieser Studie wurden zwei Hauptzielgruppen für HR Modulatoren identifiziert: der histaminerge Rezeptor H1 (HRH1) und der Glucocorticoid Rezeptor (NR3C1). HRH1 wird allgemein mit allergischen Reaktionen assoziiert, steht aber auch mit CVDs in Verbindung. Interessanterweise verringerten alle Wirkstoffe, die auf HRH1 abzielten, die HR signifikant. Die in situ-Hybridisierung für verschiedene hrh-Sonden ergab, dass hrh1 das einzige nachweisbare der getesteten hrh im Herzen 3 Tage nach Befruchtung (dpf) war, was auf seine Beteiligung an der Herzentwicklung hinweist. Darüber hinaus zeigte das Herzanalysetool pyHeart4Fish kammerspezifische Wirkungen von HRH1-Antagonisten auf. Insgesamt deuten die Daten darauf hin, dass hrh1 eine Rolle bei der Herzkontraktilität und Herzgröße spielt. Allerdings sind weitere Untersuchungen zum Wirkmechanismus erforderlich, um zu verstehen, wie Hrh1 an der Kardiogenese beteiligt ist und welche langfristigen Auswirkungen HRH1-Antagonisten auf den sich entwickelnden Embryo haben können, um die Arzneimittelsicherheit für schwangere Frauen zu bestimmen. NR3C1 ist ein Liganden-aktivierter Transkriptionsfaktor, von dem bekannt ist, dass er an Entzündungen, Stoffwechsel und Stressreaktionen beteiligt ist. In dieser Studie mit Zebrafischlarven wurde festgestellt, dass eine Gruppe von sechs NR3C1-Agonisten die Herzfrequenz bei 48 h nach Befruchtung deutlich erhöht. Während frühere Forschungen die Beteiligung von nr3c1 an der Herzentwicklung bei Zebrafischen identifiziert hatten, blieb seine Rolle bei Herzrhythmusstörungen unklar. Hier wurde die Expression von nr3c1 im larvalen Herzen bei 5 dpf mittels in situ-Hybridisierung nachgewiesen. Weitere Analysen mit pyHeart4Fish ergaben außerdem, dass NR3C1-Agonisten kammerspezifische Phänotypen, einschließlich eines atrioventrikulären Blocks, induzieren. Des Weiteren wurde ein Homologie Modell des Zebrafisch-Nr3c1 entwickelt, das darauf hindeutet, dass die Agonisten, von denen bekannt ist, dass sie beim Menschen binden, auch im Zebrafisch binden können. Diese Ergebnisse unterstützen die Verwendung von Zebrafischen als Screening-Modell für kardiovaskuläre Phänotypen und unterstreichen die potenzielle Rolle von nr3c1 bei CVDs.

Schlagwörter

Drug Screening, Cardiovascular Diseases, Zebrafish, Angiogenesis, NR3C1, HRH1

Zitierform

Institut/Klinik

Institut für Kardiogenetik

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