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The role of hydrogen sulfide in normal and aberrant late lung development

Die Rolle von Wasserstoffsulfid in normaler und aberranter späten Lungenentwicklung

Madurga Hernández, Alicia


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-120656
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2016/12065/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Wasserstoffsulfid , bronchopulmonale Dysplasie , Lungenphysiologie
Freie Schlagwörter (Englisch): hydrogen sulfide , bronchopulmonary dysplasia , late lung development
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max Planck Institute for Heart and Lung Research
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Englisch
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.05.2016
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 02.06.2016
Kurzfassung auf Englisch: Bronchopulmonary dysplasia (BPD) is a chronic lung disease characterized by arrested alveolarization, a complication of premature birth. The gasotransmitter hydrogen sulfide (H2S) is emerging as a mediator of lung physiology and disease. In this study, the impact of systemic application of H2S on post-natal alveolarization was evaluated in a mouse BPD model. Exposure of newborn mice to 85% O2 for 10 days decreased the total number of alveoli in the lung by 56% and increased mean alveolar septal wall thickness by 29%, assessed by stereological analysis. Systemically administration of GYY4137, the slow-release H2S donor, for 10 days improved lung alveolarization in mouse pups breathing 85% O2, compared with vehicle-treated littermates. Though without effect on lung oxidative status, systemic H2S administration reduced leukocyte infiltration into alveolar airspaces caused by hyperoxia, and normalized lung interleukin (IL)-10 levels that were else diminished by 85% O2. The rapid-release H2S donor NaHS was used to treat primary mouse alveolar type II (ATII) cells; NaHS had no impact on cell viability but stimulated ATII cell migration. Glibenclamide attenuated the impact of NaHS on ATII cell migration, implicating ion channels; and was accompanied by activation of Akt, hinting at two possible mechanisms of H2S action. Although exposure of ATII cells to 85% O2 produced substantial changes in gene expression, exposure to either GYY4137 or NaHS had no impact on ATII cell gene expression, as determined by microarray suggesting that the effects observed were independent of changes in gene expression. H2S can be generated endogenously by cystathionine beta-synthase (Cbs) and cystathionine gamma-lyase (Cth). In this study it is demonstrated that the expression of Cbs and Cth in mouse lungs is dynamically regulated during lung alveolarization, and that alveolarization is impaired in Cbs-/- and Cth-/- mouse pups, where a 50% reduction in the total number of alveoli was observed, with no influence on mean alveolar septal wall thickness. Immunofluorescence staining and laser-capture micro dissection revealed that CBS and CTH expression was present in the lung vessels and in the airway epithelium. Vessel remodeling occurred in the absence of Cbs and Cth, since it led to a 100 500% increase in vessel muscularization of small- and medium- size lung vessels. Inhibition of CBS or CTH expression in endothelial cells, using either small interfering RNA or via pharmacological inhibition (propargylglycine) respectively, diminished angiogenic capacity resulting in a 50% decrease in number of tubes formed, and a 30-40% decrease in tube length. On the other hand, administration of GYY4137, promoted endothelial tube formation. These data support the further investigation of H2S as a candidate interventional strategy to limit the impaired alveolarization associated with BPD, also suggests a key role for the H2S generating enzymes Cbs and Cth in lung alveolarization and pulmonary vascular development and homeostasis.
Kurzfassung auf Deutsch: Die bronchopulmonale Dysplasie (BPD) ist eine chronische Lungenerkrankung, charakterisiert durch eine gehemmte Alveolarisierung und tritt als Komplikation bei Frühgeburten auf. Der Gasotransmitter Wasserstoffsulfid (H2S) ist als ein Mediator in der Lungenphysiologie und in Erkrankungen bekannt. In dieser Studie wurde die Wirkung einer systemischen Applikation von H2S auf die postnatale Alveolarisierung im BPD Modell evaluiert. Die Exposition neugeborener Mäuse zu 85% O2 für 10 Tage verringerte die totale Anzahl der Alveoli in der Lunge um 56% und erhöhte die durchschnittliche Wanddicke der alveolaren Septen um 29%, festgestellt durch stereologische Analysen. Die systemische Verabreichung von GYY4137, einem H2S Donor mit langsamer Freisetzung, für 10 Tage verbesserte die Alveolarisierung in den Jungtieren, die 85% O2 ausgesetzt waren, im Vergleich zu den Jungtieren, die nur die Trägersubstanz verabreicht bekamen. Ohne Effekte auf den oxidativen Status der Lunge reduzierte die systemische H2S Gabe die durch die Hyperoxie begründete Leukozyten-Infiltration in den alveolären Luftraum und normalisierte die Interleukin (IL)-10 Level, die durch 85% O2 verringert werden. NaHS, ein H2S Donor mit schneller Freisetzung, wurde zur Behandlung primärer alveolärer Typ II (ATII) Zellen verwendet. NaHS hatte keine Auswirkung auf die Lebensfähigkeit der Zellen, stimulierte jedoch die Zellmigration. Glibenclamide verringerte die Wirkung von NaHS auf die ATII Zellmigration, was eine Rolle von Ionenkanälen in diesem Prozess impliziert und wurde durch die Aktivierung von Akt begleitet, was Hinweise auf zwei mögliche Mechanismen der H2S Aktivität gibt. Obwohl die Exposition von ATII Zellen zu 85% O2 erhebliche Veränderungen der Genexpression bewirkt, hatte weder die Exposition zu GYY4137 noch zu NaHS eine Wirkung auf die Genexpression der ATII Zellen, wie durch Microarray Analysen festgestellt wurde. Dies lässt vermuten, dass die beobachteten Effekte unabhängig von Veränderungen in der Genexpression sind. H2S kann endogen durch die Cystathionin beta-Synthase (Cbs) und die Cystathionin gamma-Lyase (Cth) generiert werden. In dieser Studie wurde gezeigt, dass die Expression von Cbs und Cth in der Lunge der Maus während der Alveolarisierung dynamisch reguliert wird und dass die Alveolarisierung in Cbs-/- und Cth-/- Jungtieren der Maus beeinträchtigt ist. Hier wurde eine Reduzierung der totalen Anzahl von Alveolen um 50% beobachtet, ein Einfluss auf die durchschnittliche Wanddicke der alveolaren Septen wurde nicht festgestellt. Immunofluoreszenzfärbungen und Lasermikrodissektionen zeigten, dass eine Expression von CBS und CTH in den Lungengefäßen und dem Epithelium der Atemwege stattfand. Bei Abwesenheit von Cbs und Cth wurde ein Blutgefäß-Remodeling festgestellt, was zu einer 100 – 500%-igen Zunahme der Muskularisierung der kleinen und mittleren Blutgefäße führte. Die Inhibierung der CBS oder CTH Expression in Endothelzellen, entweder unter Verwendung von small interfering RNA oder einer pharmakologisch wirksamen Substanz (Propargylglycin) verminderte die angiogene Kapazität mit dem Resultat einer um 50% verminderten Anzahl der formierten tubes und einer Reduzierung der Länge der formierten tubes um 30 – 40%. Die Verabreichung von GYY4137 förderte die endotheliale tube Formierung. Diese Daten unterstützen eine weitere Untersuchung des H2S als einen Kandidaten für Interventionsstrategien, um der beeinträchtigten Alveolarisierung, die mit BPD assoziiert ist, zu begegnen. Weiterhin kann vermutet werden, dass die H2S-generierenden Enzyme Cbs und Cth in der Alveolarisierung und der pulmonalen vaskulären Entwicklung und Homöostase eine Schlüsselrolle einnehmen.
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