Die Rolle der NADPH-Oxidase (NOX)-Untereinheit, Nox Organizer 1 (NOXO1), in der Pathogenese des Zigarettenrauch-induzierten Lungenemphysem und der pulmonalen Hypertonie im Mausmodell

Abstract

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) gehört zu der an der häufigsten vorkommenden Erkrankung weltweit mit steigernder Mortalität und Morbidität. Bis dato können lediglich Symptom-lindernde Medikamente verordnet werden, die die Lebensqualität der Patienten verbessern. Um neue Therapieansätze zu entwickeln, müssen die zugrundeliegenden molekularbiologische Mechanismen und die Pathophysiologie der COPD ergründet werden. Oxidativer Stress spielt in der Pathogenese der COPD eine wichtige Rolle und in dem Zusammenhang wird die Rolle der Enzymfamilie der NADPH-Oxidasen als wichtigste Quelle von reaktiven Sauerstoffspeziesproduzenten in der vorliegenden Arbeit untersucht. Diese Arbeit konnte zeigen, dass NOXO1 einen entscheidenden Einfluss auf ein Zigarettenrauch-induziertes Emphysem und eine pulmonale Hypertonie ausübt. Mit Hilfe einer Noxo1 Knockout Maus und durch den Vergleich von WT- und Noxo1 Knockout Mäusen konnte gezeigt werden, dass ein konstitutiver Noxo1 Knockout nach 3 und 8 Monaten Zigarettenrauchexposition die Bildung eines Lungenemphysems und einer pulmonalen Hypertonie verhindern konnte. Diese Aussage wurde zunächst durch funktionelle Messungen, wie z.B. der Lungenfunktion und der Messung des rechtsventrikulären Drucks überprüft. In Noxo1 Knockout Mäusen war keine Abnahme der Lungenfunktion nach 3- und 8-monatiger Zigarettenrauchexposition beobachtet worden. Zudem wiesen diese Mäuse keinen erhöhten systolisch rechtsventrikulären Druck nach Zigarettenrauchexposition auf. Im Gegensatz dazu war dies in den WT-Mäusen der Fall. Histologische Analysen unterstützten den protektiven Effekt einer strukturellen Veränderung in den Alveolen sowie des Lungenparenchyms nach chronischer Zigarettenrauchexposition. Beispielweise konnte kein signifikanter Verlust von Alveolen in Lungenschnitten nach chronischer Zigarettenrauchbehandlung gemessen werden und auch mittels alveolar-morphometrischer Analyse wies keiner der Parameter (Septendicke, Gesamtluftraum sowie der mittlere Abstand zwischen Alveolarsepten) eine Emphysementwicklung nach. Hinsichtlich der Zigarettenrauch-induzierten pulmonalen Hypertonie konnte bei den Noxo1 Knockout Mäusen nach 8-monatiger Zigarettenrauchexposition eine geringere Muskularisierung der kleinen Gefäße und ein Ausbleiben der Rechtsherzhypertrophie ermittelt werden. Zudem sollten einige weitere Ansatzpunkte erforscht werden, um den Mechanismus des protektiven Effekts durch eine Noxo1-Deletion auf das Zigarettenrauch-induzierte Lungenemphysem und PH erklären zu können. Mit Hilfe der FMT-microCT-Messung wurde die MMP-Aktivität, als inflammatorischer Marker und durch den Apoptose Marker, AnnexinV, das Apoptoseverhalten in der Lunge nach 8-monatiger Zigarettenrauchexposition in Echtzeit erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass Noxo1 Knockout Mäuse eine signifikant geringere Apoptoserate und eine geringere MMP-Aktivität nach chronischer Zigarettenrauchexposition aufwiesen. Der protektive Effekt vor der Emphysementwicklung und PH durch eine Noxo1-Deletion konnte weiterhin auf zellulärer Ebene durch die Messung des Apoptoserate in ATII-Zellen und durch die Quantifizierung inflammatorischer Zellen aus der bronchoalveolären Lavage (nach 8 Monaten Zigarettenrauchexposition) unterstützt werden. Da der oxidative Stress eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der COPD spielt, wurde dieser sowohl unter akuter sowie chronischer Zigarettenrauchexposition untersucht. Sowohl eine akute als auch eine chronische Zigarettenrauchexposition induzierten in isolierten ATII-Zellen aus WT-Mäusen eine erhöhte Superoxid-Produktion, nicht aber in Noxo1 Knockout Mäusen. Weiterhin konnte im Vergleich zu den WT-Lungenhomogenat Proben, in Noxo1 Knockout Lungenhomogenat signifikant geringere Nitrotyrosin-Proteinmengen nachgewiesen werden. Microarray-Analysen von Laser-mikrodissezierten pulmonalen Gefäßen sowie von den alveolären Septen konnten weiterhin zeigen, dass eine Noxo1-Deletion zu veränderten Genexpression im Endozytose- als auch im MAP-Kinase Signalweg sowie im Citratzyklus und in der Atmungskette führte. Neben veränderten Ergebnissen der Genexpression, wurden durch Zellkulturanalysen niedrigere Proliferationsraten in PASMCs als auch niedrigere Apoptosraten in ATII-Zellen von Noxo1 Knockout Mäusen gemessen.Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit lassen annehmen, dass NADPH-Oxidasen und besonders die zytosolische Untereinheit NOXO1, eine Schlüsselrolle bei der Entstehung eines Zigarettenrauch-induzierten Emphysems und einer PH in Mäusen spielt.