Expression der NADPH-Oxidasen NOX1 und NOX4 in der Lunge des Kaninchens unter Normoxie und Hypoxie

Abstract

Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV) gewährleistet unter physiologischen Bedingungen eine optimale Anpassung der lokalen Perfusion an die Ventilationsverhältnisse der Lunge. Auslöser der HPV ist eine lokale alveoläre Hypoventilation, die in minderbelüfteten Lungenbezirken zur reflektorischen pulmonalarteriellen Vasokonstriktion und somit einer Umleitung des Blutflusses zu besser belüfteten Lungenarealen führt. Chronische alveoläre Hypoxie führt dagegen zu pulmonaler Hypertonie, Cor pulmonale und vaskulärem Remodeling. Trotz umfassender Forschungsbemühungen, die mit der Beschreibung des Phänomens der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion durch v. Euler und Liljestrand im Jahre 1946 begannen, sind bis heute der genaue Sauerstoffsensor und Sensingmechanismus sowohl für die akute HPV als auch für die unter chronischer Hypoxie auftretenden Effekte am pulmonalvaskulären System unbekannt. Zahlreiche Untersuchungen weisen auf die Beteiligung einer nichtphagozytären NADPH-Oxidase am Sensormechanismus der HPV sowie am hypoxisch ausgelösten vaskulären Remodeling hin. NADPH-Oxidasen könnten sogar den primären Sauerstoffsensor darstellen und unter Hypoxie vermehrt reaktive Sauerstoffspezies produzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression von NOX1 und NOX4, die Isoformen der phagozytären gp91phox-NADPH-Oxidase-Untereinheit darstellen, in der Lunge des Kaninchens untersucht. Zunächst wurde die basale NOX1- und NOX4-Expression auf mRNA-Ebene in Gewebepräparationen pulmonalarterieller und -venöser Gefäße sowie Trachea, Bronchialsystem, Lungenparenchym und Aorta normoxisch gehaltener Kontrolltiere charakterisiert. Zur Untersuchung der Regulation der NOX1- und NOX4-mRNA-Expression unter Hypoxie wurde ein in vivo-Modell gewählt, in dem Kaninchen über verschiedene Zeiträume in normobarischer Hypoxie gehalten wurden. Anschließend erfolgten quantitative Bestimmungen von NOX1- und NOX4-mRNA an Gewebepräparationen pulmonalarterieller und -venöser Gefäße sowie Trachea, Bronchialsystem, Lungenparenchym und der Aorta nach reverser Transkription mittels Realtime PCR, die mit den Bestimmungen bei in normoxischer Umgebung gehaltenen Kontrolltieren verglichen wurden. NOX1- und NOX4-mRNA wurden in allen untersuchten Gewebeproben exprimiert und wiesen eine charakteristische Gewebeverteilung auf, wobei NOX4-mRNA in wesentlich höheren Konzentrationen als NOX1-mRNA gefunden wurde. Weiterhin ergaben die vorliegenden Untersuchungen eindeutig eine Regulation der NOX1- und NOX4-mRNA-Expression unter Hypoxie. Zusammenfassend sprechen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit für eine Regulation der NOX1- und NOX4-mRNA-Expression unter Hypoxie und unterstützen die Hypothese, dass NOX1 und NOX4 am Sensormechanismus der HPV sowie am hypoxisch ausgelösten vaskulären Remodeling beteiligt sein könnten. Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) matches lung perfusion to ventilation and thus optimizes oxygenation of pulmonary arterial blood. HPV is triggered by localized alveolar hypoventilation which causes pulmonary arteries in poorly ventilated lung areas to constrict and redistributes blood flow to better ventilated lung segments. Chronic alveolar hypoxia leads to pulmonary hypertension, cor pulmonale and a characteristic vascular remodeling. Despite extensive efforts of study the precise oxygen sensor and sensing mechanism underlying acute HPV and the effects of chronic hypoxia to the pulmonary vascular system remain unresolved. Many studies suggest the involvement of a non-phagocytic NADPH oxidase in the sensing mechanisms of HPV and hypoxia-induced vascular remodeling. NADPH oxidases may even present the primary oxygen sensor and produce higher amounts of reactive oxygen species under hypoxic conditions. The present study examines the expression of NOX1 and NOX4 which present isoforms of the phagocytic NADPH oxidase subunit gp91phox in rabbit lung. At first the basal expression of NOX1 and NOX4 was characterized at the mRNA level in preparations of pulmonary arterial and venous vessels, trachea, lung parenchyma and the aorta of animals kept under normoxic conditions. In order to examine the regulation of NOX1 and NOX4 expression at the mRNA level under hypoxic conditions an in vivo model of rabbits was chosen. Rabbits were exposed to normobaric hypoxia for certain periods of time. Subsequently, concentrations of NOX1 und NOX4 mRNA in preparations of pulmonary arterial and venous vessels, the trachea, bronchial system, lung parenchyma and the aorta were quantified by the use of reverse transcription and real-time PCR and finally compared to the concentrations of animals kept under normoxic conditions. NOX1 and NOX4 were found to be expressed in all examined tissues with a distinct distribution and NOX4 mRNA was expressed in much more abundant concentrations than NOX1 mRNA. Also, the presented study demonstrates a regulation of NOX1 and NOX4 mRNA expression under hypoxia. As a conclusion the results of the present study provide evidence for a regulation of NOX1 and NOX4 mRNA expression under hypoxia and support the hypothesis that NOX1 and NOX4 could be involved in the sensing mechanism of HPV and hypoxia-induced vascular remodeling.