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Einfluss von Azetylcholin und Eserin auf den ziliären Partikeltransport im Trachealepithelvon Azetylcholin- und Butyrylcholinesterase-Knockout-Mäusen

Freidhof, Julia


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Azetylcholin , Azetylcholinesterase , Butyrylcholin , Butyrylcholinesterase , Eserin
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Anatomie und Zellbiologie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.03.2010
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 04.05.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Die Azetylcholinesterase (AChE) ist eines der schnellsten Enzyme im menschlichen Körper. Sie ist für die enzymatische Spaltung von Azetylcholin (ACh) in Cholin und Azetat verantwortlich. Neben der AChE ist auch die Butyrylcholinesterase (BuChE) in der Lage ACh durch Hydrolyse abzubauen. Im Gegensatz zur BuChE weist die AChE mehrere Isoformen auf: AChER, AChEH, AChES und AChET. Die BuChE entspricht in ihrer räumlichen Struktur der häufigsten AChE-Isoform, der AChET.
Die Synthese und Freisetzung von ACh wurde im respiratorischen Epithel der Trachea bereits nachgewiesen. Jedoch waren der hydrolytische Abbau von ACh sowie das Vorkommen und die Aktivität von BuChE in den Atemwegen bisher noch ungeklärt. Es stellte sich die Frage, ob ACh im Trachealepithel ebenfalls durch AChE und BuChE abgebaut wird, wie dies bereits für das Nervensystem und den Skelettmuskel beschrieben wurde. In der vorliegenden Arbeit wurde der ACh-Abbau im respiratorischen Epithel der Trachea von AChE-, BuChE-Knockout (KO)-Mäusen und ihren korrespondierenden Wildtypen (WT) mittels eines funktionellen Modells untersucht. Hierbei wurde die Trachea aus den verwendeten Mäusen entnommen und der Länge nach mit dem M. trachealis nach oben unter dem Mikroskop aufgespannt. Die ziliäre Partikeltransportgeschwindigkeit (PTG) wurde durch die Zugabe von Polystyrenkügelchen (Dynabeads) mittels eines Eintauchobjektivs unter dem Mikroskop sichtbar gemacht und mit Hilfe eines Computerprogramms berechnet. Damit ist die hier dargestellte Studie die erste funktionelle Untersuchung der AChE und BuChE im respiratorischen Epithel von AChE- und BuChE-KO-Mäusen.
Die hier vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass ACh eine Steigerung der PTG in beiden KO-Mäusestämmen und ihren korrespondierenden WT bewirkte, die nicht durch Eserin beeinflusst wurde. Die Gabe von Eserin hätte eine Steigerung der PTG bewirken müssen, wenn der Abbau von ACh durch die Cholinesterasen erfolgen würde, da Eserin ein Inhibitor der Cholinesterasen ist. Weiterhin hätte man Veränderungen in den KO-Mäusen erwartet.
In weiterführenden Studien wird zu klären sein, wie ACh im Trachealepithel abgebaut wird. Es wäre denkbar, dass ACh nicht abgebaut wird, sondern durch die mukoziliäre Clearance einfach nur abtransportiert wird. Weiterhin könnte es möglich sein, dass das von den Nervenfasern, die die glatten Muskelzellen der Atemwege innervieren, freigesetzte ACh für den Abbau der geringen Menge ACh, die im respiratorischen Epithel vorliegt, ausreicht.
Im Hinblick auf die Rolle des non-neuronalen cholinergen Systems in der Pathogenese von Erkrankungen der Atemwege sowie der Funktion des respiratorischen Systems als Modellsystem für das non-neuronale cholinerge System erscheint es von großem Interesse, herauszufinden, ob und/oder wie ACh im Trachealepithel abgebaut wird.

Kurzfassung auf Englisch: Acetylcholinesterase (AChE) is one of the fastest enzymes. AChE cleaves acetylcholine (ACh) into acetate and choline. Butyrylcholinesterase (BuChE) is also able to degrade ACh but with a lower metabolic rate and specificity. The spatial structure of BuChE is similar to that of AChET which is the major isoform of AChE. AChER, AChEH and AChES are also well known isoforms of AChE.
Synthesis and release of ACh has already been described for the respiratory epithelium. It is still an open question whether ACh is degraded in the tracheal epithelium by AChE and/or BuChE as known for nervous system and skeletal muscle, respectively. Ciliary action of the airway epithelial cells drives the removal of mucus and particles from the airways. Mucociliary transport is regulated by muscarinic receptors via ACh. On this background AChE- and BuChE-knockout (KO) mice were used in the functional model of cilia-driven particle transport for which the mice were killed, tracheas removed, transferred to culture dishes and cut open at the musculus trachealis. Polystyrene beads were added and their movement were imaged with a light microscope with a water immersion objective and camera. Cilia-driven particle transport speed (PTS) was calculated from these images using a specifically software.
The results showed an enhanced particle transport speed after addition of ACh equal which mouse strain was used. Furthermore the addition of Eserin that is an inhibitor of AChE and BuChE did not result in any differences in the PTS after application prior to the use of ACh. If ACh would be degraded by AChE or BuChE it would have been assumed that in the KO mice strains would differences in their particle transport speed. Thus, it is hypothesised that ACh is not degraded. Maybe it is removed by the mucociliary transport. Another hypothesis is that the AChE released from the nervous system that is innervating the tracheal muscle and glands also hydrolysis the little amount of ACh that is found in the respiratory epithelium. The investigation of this issue will be the work of follow up studies.
With regard to the pathogenesis of asthma and other diseases of the respiratory tract where ACh is involved it might be of special interest to know how ACh will be degraded in the airway epithelium.