Investigation of FDA-approved drugs and novel target proteins for the treatment of non-alcoholic fatty liver disease

Abstract

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) consists of a continuous pathological spectrum from simple steatosis to nonalcoholic steatohepatitis (NASH) with inflammation and fibrosis. Furthermore, NAFLD has been known to be closely associated with diverse metabolic abnormalities such as obesity, type 2 diabetes (T2D), and intestinal barrier dysfunction. Thus, the progression of NAFLD is driven by diverse and complex pathogenic mechanisms, which hinder the development of therapeutic drugs. Therefore, here, I investigated whether Food and Drug Administration (FDA)-approved drug candidates and target proteins can be promising therapeutic strategies for the treatment of NAFLD. In Part 1, I demonstrated the effects of three FDA-approved drugs on NAFLD through drug repositioning. Drug candidates were found to have protective roles as modulators of three triggers contributing to the progression of NAFLD: 1) fatty acids that are released from adipose tissue and then enter the liver, 2) de novo lipogenesis in the liver, and 3) lipotoxicity. First, I found that ezetimibe, known as a treatment for hypercholesterolemia, inhibited the adipocyte differentiation. In particular, it was shown that ezetimibe was involved in mitotic clonal expansion, which is an explosive cell proliferation that appears in the early stages of adipogenesis. Moreover, I revealed the molecular mechanism that ezetimibe suppressed the mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling pathway through AMPK activation. Additionally, ezetimibe reduced adipocyte hypertrophy in white adipose tissue of high fat diet-fed mice, thereby mitigating hepatic lipid accumulation. Second, I demonstrated that lobeglitazone, known as a medication for type 2diabetes, inhibited hepatic lipid synthesis. Lobeglitazone reduced lipid formation, and subsequent fatty acid ω-oxidation, and endoplasmic reticulum stress under the physiological condition of acute de novo lipogenesis. Eventually, I showed that lobeglitazone protected mice against acute lipogenesis-mediated oxidative liver injury by inhibiting the AKT/mTORC1 signaling pathway. Thirdly, I found that niclosamide ethanolamine (NEN), approved as an anthelmintic, protects liver cells and mouse liver from lipotoxicity induced by saturated fatty acids produced during lipid synthesis. It was shown that NEN activated Nrf2, a transcription factor that plays an important role in removing reactive oxygen species, and was the result of inactivation and degradation of Keap1 protein, which acts as a suppressor of Nrf2. In addition, NEN, as an activator of AMPK, induces inactivation of Keap1 protein by increasing p62 protein and phosphorylated form of p62. In part2, I explored the role of a novel target protein in the progression of NAFLD. Pro-inflammatory signaling pathway could be implicated in the progression of NASH with fibrosis. Thus, I investigate that deficiency of phosphodiesterase 3B (PDE3B), known to regulate lipolysis and inflammasome activation in white adipose tissue, improved hepatic. As a result, I observed that inflammation and consequent fibrogenesis were mitigated in the liver of high fat/high cholesterol diet and fructose solution-fed PDE3B-deficient mice, compared to wild type. Moreover, I showed that loss of PDE3B improved alteration in intestinal structure and impairment of tight junction proteins. Accordingly, I verified that PDE3B deficiency plays a role in alleviating severe NASH through the gut-liver axis. In summary, in Part1, new treatment strategies for NAFLD was proposed through drug repositioning using FDA-approved drugs, and in Part 2, a novel target protein study that can control a series of processes for NAFLD might contribute to the development of new treatments. Collectively, this study indicates that multiple perspectives in developing a therapeutic agent for NAFLD are important. I provide prospective therapeutic strategies and targets to treat NAFLD through this investigation. 비알코올성 지방간 질환(NAFLD)은 단순 지방간부터 염증 및 섬유화를 동반한 비알코올성 지방간염 (NASH)까지 연속적인 병리학적 스펙트럼으로 구성된다. 또한, 비알코올성 지방간 질환은 비만, 제2형 당뇨병, 장 투과성 및 장벽 기능 장애와 같은 다양한 대사 이상들과 밀접하게 관련 있는 것으로 알려져 왔다. 따라서, 비알코올성 지방간 질환의 진행은 다양하고 복잡한 발병 기전들에 의해 유발되며, 이는 치료제 개발을 어렵게 만든다. 그러므로, 이 논문에서는 식품의약국 (FDA) 승인 후보 약물들과 표적 단백질이 비알코올성 지방간 질환 치료를 위해 전도유망한 치료 전략이 될 수 있는지 연구하였다. 본 연구 1부에서는 신약재창출 방식을 통해 비알코올성 지방간 질환에 대한 3가지 FDA 승인 약물의 효과를 밝혔다. 후보 약물들은 다음과 같은 비알코올성 지방간질환의 진행 과정에 기여하는 3가지 유발인자: 1) 지방조직에서 분해되어 간 내로 유입되는 지방산, 2) 간 내 신규지방 합성, 3) 지방독성의 조절자로서 역할을 하고 있음을 알아냈다. 첫번째로, 고콜레스테롤혈증 치료제로 알려진 에제티미브가 지방세포로의 분화를 억제한다는 사실을 발견했다. 특히, 에제티미브가 지방세포 분화 과정의 초기 단계에 나타나는 폭발적 세포 증식 과정인 mitotic clonal expansion에 관여하는 것으로 나타났다. 또한, 그 과정에서 에제티미브가 AMPK의 활성화를 통해 mTORC1 신호 전달 경로의 표적을 억제한다는 분자적 기전을 밝혔다. 결과적으로 에제티미브가 고지방식이를 섭취한 비알코올성 지방간 마우스 모델에서도 지방세포의 비대를 저해하였고, 간 내에 축적되는 지방을 감소시킴을 보여주었다. 두번째로, 제2형 당뇨병 치료제인 로베글리타존이 간 내 지질의 신규 합성을 억제한다는 사실을 입증했다. 로베글리타존은 급성 신규 지방 생성의 생리적 조건 하에 지질 형성과 이후의 소포체에서 발생하는 지방산 산화 및 스트레스를 감소시켰다. 궁극적으로, 로베글리타존이 AKT/mTORC1 신호 전달 경로를 방해함으로써 급격한 지방 합성에 의해 매개된 산화적 간 손상을 완화시킴을 제시하였다. 세번째로, 구충제로 승인된 니클로스아마이드 에탄올아민 (NEN)이 지질합성 과정에서 생성되는 포화지방산에 의해 유발된 지방독성으로부터 간 세포와 쥐의 간을 보호함을 밝혔다. NEN은 활성산소종 제거에 중요한 역할을 하는 전사인자인 Nrf2를 활성화하였으며, Nrf2의 억제인자로 작용하는 Keap1 단백질의 불활성화와 분해에 따른 결과임을 보여주었다. 뿐만 아니라, NEN이 AMPK의 활성제로서 p62 단백질과 p62의 인산화 형태를 증가시켜 Keap1 단백질의 불활성화를 유도하였으며, NEN에 의한 AMPK의 활성화가 오토파지를 증가시켜 Keap1 단백질의 분해시킨다는 분자적 기전을 제시하였다. 본 연구 2부에서는 비알코올성 지방간 질환의 일련의 과정에 관여하는 새로운 표적 단백질에 대해 연구하였다. 만성적인 염증 반응은 섬유화를 동반하는 비알코올성 지방간염의 진행과 관련이 있다. 따라서, 백색 지방조직에서 지방 분해 및 인플라마좀 활성화 과정을 조절하는 것으로 알려진 phosphodiesterase 3B (PDE3B)의 결핍이 간 기능을 개선시킬 수 있는지 연구하였다. 그 결과, 대조군에 비해 고지방/ 고콜레스테롤 식이 및 과당을 포함한 음수를 섭취한 비알코올성 지방간염 마우스 모델에서 간 염증 및 섬유화 현상이 완화되는 것을 관찰하였다. 또한, PDE3B의 결핍이 장 투과성 관련 단백질의 손상을 개선시킬 수 있음을 밝혔다. 이러한 개선 기능을 통하여 PDE3B의 결핍이 장-간축을 통해 중증 비알코올성 지방간염을 억제할 수 있음을 입증했다. 이를 종합하여, 본 연구 1부에서는 FDA 승인 약물을 이용한 신약재창출을 통해 새로운 비알코올성 지방간질환 치료 전략을 제안하였으며, 본 연구 2부에서는 새로운 치료제 개발에 기여할 수 있는 비알코올성 지방간질환의 일련의 과정을 조절할 수 있는 표적 단백질 연구를 제시하였다.