The role of the antioxidant protein sestrin 2 in emphysema development in mice

Abstract

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is the fourth ranking cause of death worldwide. Despite the extensive efforts that have been made so far, the disease remains still incurable due to a lack of therapeutic targets that can prevent from the development or even reverse already established disease. Only symptoms can be alleviated to some degree, by the current treatments available. Thus, it still causes high morbidity, mortality, disability, health resources depletion and socioeconomic burden. One of the major components of COPD is pulmonary emphysema caused by the destruction and of alveoli after exposure to noxious particles and gases, with cigarette smoke and smoke from heating and cooking being the most prominent. The disruption of signaling pathways responsible for lung integrity maintenance is thought to be a key point in the development of emphysema. Reactive oxygen species generated after the exposure to smoke could disrupt these alveolar maintenance programs. It has already been reported that the inactivation of the sestrin 2 gene, encoding the member of a family of highly conserved antioxidant proteins, can partially rescue the disease phenotype in a genetic mouse model of emphysema. This primarily contradictory finding that deletion of an antioxidant protein can protect from a genetically induced emphysema was attributed to the restoration of impaired TGF-beta signaling. Sestrin 2 has also been shown to inhibit mTOR. This led to the hypothesis that sestrin 2 might play a role in emphysema development in a chronic model of tobacco smoke exposure. To this end, wild type and knockout mice were exposed to smoke of a 140mg/m3 total particulate matter (TPM) concentration, for 6 hours/day, 5 days/week for a period of 8 months. The wild type mice developed pulmonary emphysema as indicated functionally by a significant increase in pulmonary compliance and pulmonary hypertension indicated by a significant increase in right ventricular systolic pressure. Morphometric evaluation also revealed significant structural changes: increase in airspace% and mean linear intercept, and decrease in alveolar septal wall thickness. In contrast the loss of function of sestrin 2 resulted in the prevention of emphysema development in the knockout mice which demonstrated no significant changes in these parameters when compared to respective controls. Sestrin 2 and PDGFRbeta mRNA were up- and down- regulated respectively in the lungs of wild type mice after smoke exposure. Furthermore, sestrin 2 knockout mice exhibited increased numbers of alveolar epithelial type II cells and decreased numbers of apoptotic cells after smoke exposure when compared to wild type mice. This study demonstrated that the mutational inactivation of sestrin 2 induces PDGFRbeta signaling which preserves lung integrity by initiating a cascade of events also involving KGF and mTOR signaling that results in increased ATII cell proliferation and elastin production. If these data are transferrable to the human situation, a sestrin 2 antagonist could be beneficial in the treatment of COPD. Derzeit gehört die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) zu der vierthäufigsten Todesursache weltweit. Trotz bisherigen umfangreichen Bemühungen, gibt es bis heute noch keinen Therapieansatz, der die Entwicklung der COPD-Erkrankung verhindert oder gar eine bereits etablierte Erkrankung heilen kann. Bisher können lediglich ein Teil der Symptome behandelt werden. Folglich verursacht COPD eine hohe Morbidität, Mortalität und Invalidität resultierend in einer Erschöpfung von Gesundheitsressourcen und einer sozioökonomische Belastung. Zu den Hauptmerkmalen der COPD gehört das Lungenemphysem, charakterisiert durch eine Zerstörung der Alveolen aufgrund einer Exposition gegenüber schädlicher Partikel und Gase. Zu den bedeutendsten Faktoren scheinen eine Inhalation von Zigarettenrauch und eine Verbrennung von Biomasse zum Kochen und Heizen zu sein. Derzeit wird eine Dysregulation von Signalwegen zur Erhaltung der Lungenintaktheit mit der Entwicklung eines Lungenemphysems in Verbindung gebracht. Reaktive Sauerstoffspezies, die nach einer Rauch-Exposition generiert werden, könnten diese alveolaren Instandhaltungsmechanismen zerstören. Bisherige Studien berichteten, dass eine Inaktivierung des Sestrin-2 Gens, welches ein Mitglied der Familie von hoch konservierten antioxidativen Proteinen kodiert, zu einem partiellen Schutz des Krankheitsphänotypes in einem genetisches Emphysem-Maus-Modell führte. Diese zunächst widersprüchliche Erkenntnis, dass eine Inaktivierung eines antioxidativen Proteins vor einem genetisch induzierten Emphysems schützt, wurde auf die Restoration des beeinträchtigten TGF-beta Signalweges zurückgeführt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Sestrin-2 mTOR inhibiert. Im Rahmen dieser Dissertation sollte daher die Hypothese untersucht werden, ob Sestrin-2 eine Rolle bei der Entwicklung eines Lungenemphysems in einem Zigarettenrauch- induzierten Emphysemmodell der Maus spielen könnte. Hierfür wurden Wildtyp- und Knockout-Mäuse 6 Stunden pro Tag, 5 Tage die Woche für 8 Monate bei einer Rauchpartikelkonzentration von 140 mg/m³ beraucht. Rauch-exponierte Wildtyp-Mäuse entwickelten ein Lungenemphysem und eine pulmonale Hypertonie funktionell gekennzeichnet durch eine signifikant erhöhte Lungencompliance und durch einen signifikanten Anstieg des systolischen rechtsventrikulären Druckes. Morphometrische Analysen zeigten zusätzlich signifikante strukturelle Veränderungen: eine Erhöhung des Gesamtluftraums der Alveolen und des mittleren Abstandes zwischen den Alveolarsepten, sowie eine niedrigere alveolare Septendicke. Eine Inaktivierung von Sestrin-2 in Knockout-Mäusen verhinderte die Entwicklung eines Lungenemphysems, da im Vergleich zu den respektiven Kontrolltieren keine signifikanten Veränderungen in den genannten Parametern zu sehen waren. Sestrin-2 und PDGFRbeta mRNA waren im Lungenhomogenat von Wildtyp-Mäusen nach Rauch-Exposition entsprechend hoch- und herunterreguliert. Des Weiteren zeigten Rauch-exponierte Sestrin-2 Knockout-Mäuse eine erhöhte Anzahl an Alveolarepithelzellen Typ II und eine verminderte Anzahl an apoptotischen Zellen im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen. Mit dieser Studie konnte gezeigt werden, dass ein Knockout von Sestrin-2 den PDGFRbeta- Signalweg induziert und somit die Lungenintaktheit während einer Rauch-Exposition erhalten bleibt. Hierbei wurden Ereigniskaskaden initiiert, die in einer erhöhten ATII Zellproliferation und Elastinproduktion resultierten. Diese Ergebnisse werden unter anderem mit dem KGF und dem mTOR-Signalweg in Verbindung gebracht. Vorausgesetzt, dass man diese Ergebnisse auf den Menschen übertragen kann, könnte ein Sestrin-2 Antagonist eine neue Behandlungsstrategie für COPD-Patienten sein.