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Rolle der Phosphodiesterase 4 in der Hyperoxie-induzierten Lungenreifungsstörung der Maus

Role of Phosphodiesterase 4 in Hyperoxia induced arrest in lung development in mice

Woyda, Kathrin


Originalveröffentlichung: (2008) Eur Respir J. 2008 Nov 14. [Epub ahead of print]
pdf-Format: Dokument 1.pdf (2.869 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): bronchopulmonale Dysplasie , Lungenentwicklung , Hyperoxie , Phosphodiesterasen
Freie Schlagwörter (Englisch): Bronchopulmonary Dysplasia , Lung development , Hyperoxia , Phosphodiesterases
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Innere Medizin, Medizinische Klinik II/V
Fachgebiet: Biologie, Chemie und Geowissenschaften fachübergreifend
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.07.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 10.12.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Bronchopulmonale Dysplasie (BPD) ist eine chronische potentiell reversible Lungenerkrankung Frühgeborener, die hauptsächlich durch mechanische Ventilation und die hohe Sauerstoffkonzentration während der Behandlung des Atemnotsyndroms (ARDS) verursacht wird. Die Anzeichen der neuen Form der BPD, welche durch ein gestörtes alveoläres Wachstum sowie durch eine verminderte Vaskularisierung der Lunge charakterisiert wird, können auch an Lungen neonataler Hyperoxie-exponierter Mäuse beobachtet werden. Während der normalen Lungenentwicklung spielt die Regulation der second messenger cAMP und cGMP eine wichtige Rolle. Daher nehmen Phosphodiesterasen (PDEs), die für die Hydrolyse von cAMP und cGMP verantwortlich sind, eine bedeutsame Stellung ein.

Da es möglich ist, dass die Entwicklung einer BPD durch eine veränderte Expression und Regulation von PDEs gefördert oder beeinflusst wird, sollte diese in der vorliegenden Arbeit anhand eines neonatalen hyperoxischen Mausmodells und anhand von Hyperoxie-exponierten pulmonalen Epithelzellen untersucht werden.

PDE-Expressionsanalysen hyperoxischer Mauslungen ergaben eine erhöhte Gen- und Protein-expression der cAMP-spezifischen PDEs und speziell der PDE4. Durch immunhistochemische Färbungen konnte die PDE4 sowohl in pulmonalen Epithelzellen, als auch in Entzündungszellen detektiert werden. Die Behandlung Hyperoxie-exponierter Mäuse mit dem PDE4-spezifischen Inhibitor Cilomilast führte neben einem verbesserten Allgemeinbefinden der Tiere auch zu leichten Verbesserungen im Körpergewicht, teilweise zu einer signifikant verbesserten Lungenstruktur und zu einer gesteigerten Lungenfunktion. Bei der Untersuchung Hyperoxie-exponierter pulmonaler Epithelzellen konnte ebenfalls eine erhöhte PDE4A-Proteinexpression festgestellt werden, die jedoch mit einer geringeren PDE4-Phosphorylierung, einer geringeren PDE4-Aktivität und einer gesteigerten intrazellulären cAMP-Konzentration und IL 6-Freisetzung unter Hyperoxie einher ging. Bei der Stimulation pulmonaler Epithelzellen mit rekombinanten IL-6 zeigte sich neben der Aktivierung des MAPK und JAK/STAT-Signalwegs auch eine erhöhte PDE4A-Phosphorylierung, die mit einer gesteigerten PDE4-Aktivität einher ging. Um den Mechanismen der durch Cilomilast bewirkten Verbesserungen der Lungenstruktur und – funktion näher auf den Grund zu gehen, wurde die Proliferation pulmonaler Epithelzellen unter Hyperoxie mit verschiedenen Cilomilast-Konzentrationen untersucht. Es wurde jedoch deutlich, dass Cilomilast in Konzentrationen ab 10µM hemmend auf das Zellwachstum pulmonaler Epithelzellen wirkt. Bei Untersuchungen des pro-proliferativen Transkriptionsfaktors Stat3, der unter Hyperoxie eine herabgesetzte Tyr705-Phosphorylierung aufwies, konnte durch Cilomilast eine leichte Wiederherstellung der Tyr705-Phosphorylierung und wahrscheinlich damit verbunden, eine erhöhte Expression von SP-B, nicht aber von SP-C, bewirkt werden.

Zusammenfassend machen diese Ergebnisse deutlich, dass die PDEs unter hyperoxischen Bedingungen eine veränderte Expression und Aktivität aufweisen, und dass die Hemmung der cAMP-spezifischen PDE4 im hyperoxischen Mausmodell, hauptsächlich durch eine Abschwächung der Entzündungsreaktion in der Lunge, zu einer Verbesserung der Lungenstruktur und – funktion führt. In pulmonalen Epithelzellen scheint die Aktivität der PDE4 jedoch durch einen unbekannten Faktor beeinträchtigt zu werden, der den intrazellulären cAMP-Spiegel ansteigen lässt und somit vermutlich die Apoptose der Zellen unter Hyperoxie fördert. Da SP-B für die postnatale Lungenfunktion unverzichtbar ist und Cilomilast die SP B-Expression in pulmonalen Epithelzellen steigert, könnte eine Therapie mit Cilomilast eine Behandlungsmöglichkeit der BPD darstellen.
Kurzfassung auf Englisch: Bronchopulmonary dysplasia (BPD) is a chronic lung disease seen in premature infants exposed to high oxygen levels and mechanical ventilation and is characterized by an arrest in alveolar development. The disease can be mimicked by prolonged exposure of newborn mice to hyperoxia which results in a disruption of distal lung growth with large, simplified alveolar structures and an increased septal wall thickness. During normal lung development the second messengers cAMP and cGMP play important roles in cellular signalling. Therefore Phosphodiesterases (PDEs), the cyclic nucleotide degrading enzymes, are of particular importance as they can show an altered expression and regulation during the development of BPD.

In this work the role of phosphodiesterases in hyperoxia induced lung injury in newborn mice was investigated. Further the expression and activity of PDEs in alveolar epithelial cells (AECs) exposed to hyperoxia has been analysed.

PDE expression analysis of hyperoxic mice lungs showed increased gene and protein expression of the cAMP specific PDEs, especially of PDE4. By immunohistochemical staining of mouse lung tissue PDE4 has been localized in the pulmonary epithelium as well as in inflammatory cells. Treatment of hyperoxia exposed mice with the PDE4 specific inhibitor Cilomilast resulted beside a better well-being of the animals in an improved body weight and an enhanced lung function. Investigation of hyperoxia exposed AECs also revealed increased PDE4A protein expression but accompanied by a lowered PKA-phosphorylation of PDE4, less PDE4 activity and elevated intracellular cAMP concentrations and IL 6 release. In order to clarify the mechanisms of the beneficial effects of Cilomilast on structure and function of the lung, the proliferation of AECs with different Cilomilast concentrations during hyperoxic exposure was investigated. Cilomilast was not able to improve growth of AEC under hyperoxic conditions and inhibited cell growth of AECs in concentrations higher than 10µM. In contrast Cilomilast increased phosphorylation of the proproliferative transcription factor Stat3 on tyrosine residue 705 which was decreased in hyperoxia. This led most probably to the increased expression of SP-B but not SP-C.

All together these results demonstrate that PDEs show a different expression and activity in mice lungs after hyperoxic exposure. Inhibition of PDE4 leads to a lowered inflammation and therefore to an improvement in alveolarisation and lung function. In AECs activity of PDE4 seems to be affected by an unknown factor which leads to increased cAMP concentrations and therefore probably to higher apoptosis of cells during hyperoxic exposure. As hydrophobic SP-B is indispensable for postnatal lung function and survival the treatment with Cilomilast could offer a new therapeutic modality in the clinical management of BPD.