Untersuchungen zur Charakterisierung des Nikotineinflusses auf den ziliären Partikeltransport im respiratorischen Epithel der Maus

Abstract

Bei der Exposition gegenüber Zigarettenrauch kommt es zu wichtigen biologischen Veränderungen im respiratorischen Epithel. Durch Tabakkonsum erfolgt eine Reduktion der mukoziliären Clearance und zu einer gestörten Koordination des Zilienschlags, somit kommt es zur Abschwächung des Schutzmechanismus gegenüber eingeatmeten Partikeln und Pathogenen. Unklar ist, ob diese Wirkung auf Nikotin einen wichtigen chemischen und pharmakologisch aktiven Bestandteil des Tabakrauchs, zurückzuführen ist. Nikotin wirkt meist über nikotinische Azetylcholinrezeptoren (nAChR), welches Liganden-gesteuerte Kationenkanäle sind.Ziel dieser Arbeit war es zu überprüfen, ob Nikotin die Partikeltransport-geschwindigkeit (PTG) in der Maustrachea beeinflusst, und falls ja, ob dies über nAChR, insbesondere den alpha7-Subtyp erfolgt. Angewendet wurde eine von Klein und Mitarbeiter in 2008 etablierte Messmethode, mit der Messungen der PTG entlang der gesamten Länge der Trachea unabhängig von der Anwesenheit einer Mukusschicht durchgeführt werden können. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass Nikotin (Endkonzentration 10-4 M) eine signifikante Steigerung der PTG bewirkt, die bei wiederholter Gabe schnell desensitisiert. Diese Nikotin-bedingte PTG-Steigerung wird über nAChR vermittelt, da sie durch den generellen nAChR Antagonisten Mecamylamin aufgehoben wird. Bei der Anwendung von alpha-Conotoxin MII, einem spezifischen alpha3 nAChR Antagonisten, ergaben sich keine signifikanten Unterschiede in der durch Nikotin indizierten Antwort gegenüber den Kontrollen. In den Tracheen von alpha7 nAChR gendefizienten Mäusen zeigte sich in der Nikotinantwort ebenfalls kein signifikanter Unterschied zum korrespondierenden Wildtypstamm.Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Nikotin eine stimulierende Wirkung auf die PTG in der Maustrachea hat, im Gegensatz zu den bekannten hemmenden Wirkungen des Gesamtgemisches Zigarettenrauch. Im Zusammenhang mit der Entstehung von Bronchialkarzinomen sind insbesondere die nAChR Untereinheiten alpha3 und alpha7 von Bedeutung, diese sind jedoch nicht für die nikotininduzierte Steigerung der PTG verantwortlich. Exposure to cigarette smoke evokes important biological reactions in the respiratory epithelium. Cigarette smoking causes attenuation of mucociliary clearance and to a disturbed coordination of culinary beat, thereby leading and impairment of protective mechanisms against inhaled particles and pathogens. It is currently unknown whether these effects are caused by nicotine, an important chemical and pharmacologically active compound of cigarette smoke. In general, nicotine acts via nicotinic acetylcholine receptors (nAChR) which are ligand-gated cation channels. This study was aimed to investigate whether nicotine has an impact on particle transport speed (PTS) in the murine trachea, and if yes, whether this is mediated via nAChR, in particular those of the alpha7 subtype. This was addressed by using a technique established by Klein et al. in 2008 which allows quantitative assessment of PTS along the entire length of the trachea independent from the presence of a mucus layer.The present data show that nicotine (Finalconcentration 10-4 M) causes a significant increase in PTS which quickly desensitizes upon repeated challenge. This nicotine induced PTS increase is mediated via nAChR since it is sensitive to the general nicotinic receptor antagonist, mecamylamine. alpha-Conotoxin MII, a specific alpha3 nAChR antagonist, has no impact on nicotine induced PTS increase. Tracheas of nAChR alpha7 gene-deficient mice responded in the same manner as those of corresponding wild type mice. Collectively, these data show that nicotine has a stimulatory effect upon PTS in the mouse trachea, in contrast to the known inhibitory effect of the mixed compound tobacco smoke. In the context of the development of bronchial carcinoma, nAChR subunits alpha3 and alpha7 are particularly relevant. These, however, are not responsible for nicotine induced stimulation of PTS in the control group. This finding reveals that alpha-CTX MII has no influence on the cilia-driven increase of PTS.In view of the importance of non neuronal ACh and the role of nAChR in the pathogenesis of COPD and lung cancer it should be furthermore clarified which nAChR subtypes are responsible for the nicotine induced increase of the PTS and which specific antagonist are able to influence them.