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Role of intrinsic coagulation pathway in the pathogenesis of idiopathic pulmonary fibrosis

Die Rolle der intrinschen Koagulation in der Pathogenese der idiopathischen Lungenfibrose

Jablonska, Ewa Danuta


Originalveröffentlichung: (2010) Giessen : VVB Laufersweiler
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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Biochemie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5693-3
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 10.01.2011
Kurzfassung auf Englisch: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a rare, chronic, progressive interstitial lung
disease characterized by abnormal and excessive deposition of fibrotic tissue in the
pulmonary interstitium. Elevated procoagulant and decreased fibrinolytic activities have
been observed in bronchoalveolar lavage (BAL) fluid from IPF patients. Alterations of
alveolar haemostatic balance, mainly due to increased expression of tissue factor (TF),
factor VII (FVII) and plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1), and decreased synthesis
of urokinase (u-PA) promote fibrin deposition in the alveolar compartment. Moreover,
cellular activities of coagulation factors also potentiate fibrotic responses in the lungs
through stimulation of fibroblast proliferation and differentiation, production of
profibrotic cytokines and increased deposition of extracellular matrix components.
Coagulation factor XII (FXII) is a key component of the intrinsic blood coagulation
pathway involved in coagulation, fibrinolysis and inflammation. Active FXII (FXIIa)
converts factor XI (FXI) into activated FXI (FXIa) and prekallikrein (PK) into kallikrein
(KLK). Consequently, FXI activation culminates in a series of proteolytic reactions
resulting in thrombin generation and the release of the proinflammatory and vasodilatory
bradykinin (BK).
The implication of the extrinsic coagulation pathway in the pathogenesis of
pulmonary fibrosis has been well described, however the potential role of intrinsic
coagulation factors, namely FXII, FXI and high molecular weight kininogen (HMWK),
has never been reported in the pathomechanisms of chronic fibroproliferative lung
diseases. The present study was undertaken to evaluate the contribution of the intrinsic
coagulation pathway in the pathogenesis of IPF.
Increased expression of FXII, FXI and HMWK and elevated activity of FXIIa were
detected in the lungs of bleomycin-treated mice as well as of IPF patients. The strongest
immunoreactivity of FXII was observed in fibroblasts and on the surface of alveolar
epithelial type II cells (ATII). In vitro experiments identified FXIIa as a potent mitogen
for primary murine lung fibroblasts. FXIIa mitogenic activity was mediated by the α51-
integrin and the u-PA receptor (uPAR), since a blockade of these molecules abolished
FXIIa-induced cell proliferation. Moreover, FXII-dependent induction of lung fibroblast
proliferation was attenuated by the pharmacological blockade of the extracellular signal-
regulated kinase (ERK) 1/2 pathway. In line with in vitro data, FXII knockout mice were
found to be protected against bleomycin-induced fibrosis and intratracheal application of
FXIIa inhibitor strongly reduced a fibrotic response after bleomycin administration. The
lack in reduction of fibrotic responses in bradykinin receptor 1/2 deficient mice indicated
that BK did not mediate FXII profibrotic properties.
Although regulation of FXII expression by estrogen in hepatocytes is well
described, no data are available about regulation of FXII synthesis in cells other than
hepatocytes. Interestingly, human lung fibroblasts (HLF) were found to express FXII in a
regulated manner. Treatment of HLF with Transforming growth factor-β1 (TGF-β1)
induced FXII production in a time-dependent manner. The intracellular mechanism by
which TGF-1 stimulates FXII expression was investigated and the respective FXII
promoter region necessary for TGF-1 mediated FXII production was characterized.
In conclusion, these findings identified FXII/FXIIa, apart from its possible role as
coagulation factor in the alveolar compartment, as a novel profibrotic factor that may
contribute to the development of lung fibrosis by potentiating proliferation of lung
fibroblasts. Therefore, FXII and its downstream signaling pathway in lung fibroblasts
should be considered as a novel target for therapeutic intervention in pulmonary fibrosis.
Kurzfassung auf Deutsch: Die idiopathische Lungenfibrose (IPF) ist eine seltene, chronisch progressiv
verlaufende, interstitielle Lungenerkrankung, die durch übermäßige Deposition von
fibrotischem Gewebe im Interstitium charakterisiert ist. In der bronchoalveolären
Lavageflüssigkeit von IPF Patienten finden sich erhöhte prokoagulatorische und
erniedrigte fibrinolytische Aktivitäten. Veränderungen der alveolaren Homöostase,
hauptsächlich verursacht durch vermehrte Expression von Gewebsfaktor (Tissue factor,
TF), Faktor VII und Plasminogen Aktivator Inhibitor 1 (PAI-1), sowie verminderte
Synthese von Urokinase (u-PA), verstärken die Fibrinablagerungen in den Alveolen.
Zusätzlich steigern die Gerinnungsfaktoren die fibrotische Reaktion der Lunge durch
Stimulation der Dedifferenzierung und Proliferation von Fibroblasten, Produktion von
pro-fibrotischen Zytokinen und extrazellulären Matrixkomponenten.
Gerinnungsfaktor XII (FXII) spielt eine Schlüsselrolle in der intrinsischen
Gerinnungskaskade während der Koagulation, Fibrinolyse und Inflammation. FXIIa
aktiviert Faktor XI (FXI) zu Faktor XIa (FXIa) und Prekallikrein (PK) zu Kallikrein
(KLK). In der Folge kommt es zu einer Serie von proteolytischen Reaktionen, die zur
Synthese von Thrombin und zur Freisetzung des proinflammatorisch und vasodilatorisch
wirkenden Bradykinins (BK) führen.
Die Bedeutung des extrinsischen Gerinnungssystems für die Pathogenese der
Lungenfibrose ist relativ gut erforscht. Eine potentielle Rolle für intrinsische
Gerinnungsfaktoren, wie FXII, FXI und hochmolekulares Kininogen (HMWK), wurde
dagegen noch nicht im Hinblick auf den Pathomechanismus chronisch fibroproliferativer
Lungenerkrankungen untersucht. Ziel dieser Arbeit war daher die Evaluation der
Bedeutung des intrinsischen Gerinnungssystems für die Pathogenese der IPF.
Sowohl in den Lungen Bleomycin-behandelter Mäuse als auch von IPF Patienten
war die Expression von FXII, FXI und HMWK, sowie die Aktivität von FXII erhöht. Die
stärkste Reaktivität von FXII fand sich in Fibroblasten und an der Oberfläche von
Alveolarepithelzellen vom Typ II (ATII). In vitro Experimente identifizierten FXIIa als
potentes Mitogen für primäre murine Lungenfibroblasten. Da die Inhibierung von α5β1-
Integrin und dem Urokinaserezeptor (uPAR) ausreichte, um die FXII-vermittelte
Proliferation von Fibroblasten aufzuheben, konnten diese Moleküle als übergeordnete
Mediatoren identifiziert werden. Daneben konnte auch eine pharmakologische
Inhibierung des extracellular signal-regulated kinase (ERK) 1/2 Signalweges die FXIIabhängige
Proliferation pulmonaler Fibroblasten hemmen.
In Übereinstimmung mit den in vitro Daten, waren FXII Knockout-Mäuse
geschützt gegen eine Bleomycin-induzierte Fibrose. Daneben konnte auch eine
intratracheale Applikation von FXIIa Inhibitor in Bleomycin-behandelten Mäusen die
fibrotische Reaktion signifikant hemmen. Da bei Bradykininrezeptor 1/2-defizienten
Mäusen keine Verringerung der fibrotischen Reaktion auftrat, scheint FXII auf diesem
Weg keine Wirkung zu entfalten.
Während in Hepatozyten die Regulation der FXII Expression durch Östrogen
beschrieben ist, gibt es zurzeit keine Daten für andere Zelltypen. Interessanterweise
exprimieren humane Lungenfibroblasten (HLF) FXII, weshalb hier die Regulation der
FXII Expression genauer untersucht wurde. Die Behandlung von HLF mit TGF-β1 führte
dabei zu einem zeitabhängigen Anstieg der Expression von FXII. Durch weitere
Untersuchungen zum intrazellulären Mechanismus konnten die spezifischen Stellen in
der Promoterregion charakterisiert werden.
Zusammengefasst identifizieren diese Ergebnisse FXIIa als neuen pro-fibrotischen
Faktor, der, unabhängig von seiner möglichen Gerinnungsaktivität im Alveolarraum, über
eine verstärkte Proliferation von Lungenfibroblasten entscheidend zur Entstehung der
Lungenfibrose beiträgt. Daher bieten sich FXII und seine nachgeschalteten Signalwege
als neue Angriffspunkte in der Therapie der Lungenfibrose an.