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Arginine metabolism in experimental and idiopathic pulmonary fibrosis

Der Metabolismus der Arginine in der experimentellen und Idiopathische Lungenfibrose

Kitowska, Kamila Ewa


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Freie Schlagwörter (Englisch): arginine , IPF
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Department of Medicine
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 21.01.2008
Kurzfassung auf Englisch: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a progressive and fatal lung disease of unknown origin, characterized by alveolar epithelial cell damage, increased deposition of extracellular matrix (ECM) in the lung interstitium, enhanced fibroblast/myofibroblast proliferation and activation, which ultimately lead to distortion of normal lung
architecture and loss of respiratory function. While the initial trigger of this disease is most likely an epithelial injury, the interstitial fibroblast/myofibroblast represents the key effector cell responsible for the increased ECM deposition characteristic of IPF. Fibroblasts secrete large amounts of fibrillar collagens, which are the key ECM proteins
that are significantly increased in this disease. L-arginine is a precursor of many active compounds including: nitric oxide, asymmetrical dimethylarginine, and praline, an amino acid that is enriched in collagen. Thus, it was hypothesized that L-arginine metabolism is altered in pulmonary fibrosis, ultimately affecting collagen synthesis. In this study, the expression of key enzymes of the L-arginine pathway was characterized in bleomycin-induced pulmonary fibrosis in mice. Expression of arginase-1 and arginase-2 was significantly upregulated during bleomycin-induced lung fibrosis, which correlated with a decrease in lung L-arginine levels, as measured by high performance liquid chromatography. Furthermore, arginase-1 and arginase-2 mRNA and protein expression localized to fibroblasts, and their expression was increased in primary
fibroblasts isolated from bleomycin-treated mice, compared to controls, as assessed by semi-quantitative and quantitative RT-PCR, and immunoblotting. Moreover, TGF-beta 1, a key profibrotic mediator, induced arginase-1 mRNA expression in primary and NIH-3T3 fibroblasts. Finally, treatment of NIH-3T3 fibroblasts and primary human lung fibroblasts with the arginase inhibitor, NOHA, attenuated TGF-beta 1-stimulated collagen deposition, but not Smad signaling. Arginase-1 and arginase-2 mRNA expression, as well as their activity, however, was unchanged in total human lung homogenates from IPF patients compared to controls. These results demonstrated that arginase isoforms, key enzymes in nitric oxide
and collagen metabolism, were expressed and functional in lung fibroblasts and upregulated in the early stages of bleomycin-induced pulmonary fibrosis. These changes were limited to the animal model of pulmonary fibrosis, as no changes in expression were observed in lungs from IPF patients. The TGF-beta 1-induced upregulation of arginase-1
suggested an interplay between profibrotic agents and L-arginine metabolism during the course of experimental lung fibrosis, therapeutic manipulation of which may foster novel treatment options.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Idiopathische Lungenfibrose (Idiopathic pulmonary fibrosis – IPF) ist eine progrediente und fatale Lungenerkrankung unbekannten Ursprungs. Sie ist gekennzeichnet durch eine Schädigung der alveolären Epithelzellen, vermehrter Ablagerung von extrazellulärer Matrix im Interstitium der Lunge, verstärkter Proliferation und Aktivierung von Fibroblasten bzw. Myofibroblasten, was schließlich zu einer Zerstörung des normalen Gewebes führt, sowie zum Verlust der Lungenfunktion. Während die Krankheit initial höchstwahrscheinlich durch eine Verletzung es Lungenepithels ausgelöst wird, gelten die Fibroblasten bzw. die Myofibroblasten als Schlüsselzellen, da sie für die charakteristische Ablagerung extrazellulärer Matrix während des Krankheitsverlaufes der IPF verantwortlich sind. Fibroblasten produzieren große Mengen an fibrillärem Kollagen, welches die Hauptkomponenten der Extrazellulären Matrix darstellen, die bei der Lungenfibrose signifikant erhöht vorkommen. L-Arginin ist eine wichtige biologische Vorstufe vieler aktiver Verbindungen, wie zum Beispiel Stickoxid, asymmetrisches Dimethylarginin, und Prolin – einer Aminosäure, die besonders häufig in Kollagen vorkommt. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass der L-Arginin-Metabolismus in der Lungenfibrose verändert ist, was schließlich die Kollagensynthese in Fibroblasten beeinflusst. In dieser Studie wurde die Expression der Schlüsselenzyme des L-Arginin-Stoffwechselwegs während der Bleomycin-induzierten Lungenfibrose in Mäusen untersucht. Arginase-1 und Arginase-2 waren während der Bleomycin-induzierten Lungenfibrose signifikant hochreguliert, was mit einer gleichzeitigen Verringerung der L-Arginin-Level in der Lunge, gmessen mit high performance liquid chromatography (HPLC), einherging. Weiterhin war die Arginase-1 und Arginase-2 in den Fibroblasten exprimiert und war in primären Fibroblasten, isoliert aus Bleomycin-behandelten Mäusen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen, erhöht. Interessanterweise induzierte TGF-beta 1, ein profibrotischer Schlüsselmediator, die Arginase-1 mRNA-Expression in primären Fibroblasten und in NIH3T3-Zellen. Schließlich verringerte eine Behandlung von NIH3T3-Fibroblasten sowie humaner Lungenfibroblasten mit dem Arginase-Inhibitor NOHA, die TGF-beta 1-induzierte Kollagenablagerung, jedoch nicht die Signaltransduktion durch Smads. Die mRNA-Expression von Arginase-1 und Arginase-2, sowie deren Aktivitäten zeigten jedoch in Lungenhomogenaten von Fibrosepatienten im Vergleich zu gesunden Kontrolllungen keine Veränderung. Diese Ergebnisse zeigen, dass Isoformen der Arginase, die Schlüsselenzyme im Stickoxid- und im Kollagenstoffwechsel sind, in Lungenfibroblasten exprimiert werden und funktional von Bedeutung sind. Dies konnte im Tiermodell gezeigt werden, während keine Veränderungen der Expression in Lungen von Fibrosepatienten festgestellt wurden. Die TGF-beta 1-induzierte Hochregulierung von Arginase-1 deutet auf eine Wechselwirkung zwischen profibrotischen Molekülen und dem L-Arginin-Metabolismus während des Verlaufs der experimentellen Lungenfibrose hin, welche ein Ansatzpunkt für eine Entwicklung neuer medizinischer Behandlungsmethoden darstellen könnte.