Mitochondria and cellular cytochromes as oxygen sensors in hypoxic pulmonary vasoconstriction

Abstract

Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is an essential mechanism of the lung to match blood perfusion to alveolar ventilation and optimize pulmonary gas exchange. Mitochondria have been suggested as possible O2 sensors of HPV. With regard to mitochondria the hypothesis of an increased or decreased production of reactive oxygen species (ROS) at complex I or III competes with the hypothesis of a localized small decrease of ATP production. Against this background, the present study investigated the O2 dependent regulation of mitochondrial cytochrome redox state and respiration in isolated lungs and pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMC).Methodological limitations of the past were overcome by detection of mitochondrial cytochrome redox state under hypoxic and normoxic conditions using remission spectrophotometry in intact lungs and in PASMC. High-resolution respirometry was used to determine the respiration simultaneously in isolated cells. These alterations were compared to HPV and hypoxia-induced cellular responses, such as mitochondrial matrix superoxide release and mitochondrial membrane potential. Aortic and renal arterial smooth muscle cells (ASMC, RASMC) served as controls. The hypoxia-induced decrease of mitochondrial respiration paralleled the increase in the strength of HPV in isolated lungs. In PASMC, reduction of respiration and mitochondrial cytochrome c and aa3 (complex IV) matched an increase in matrix superoxide levels, as well as mitochondrial membrane hyperpolarization. Cytochrome bl/h (complex III) was relatively more oxidized during hypoxia compared to cytochrome c and aa3. In contrast to PASMC, RASMC displayed a smaller decrease in respiration and no rise in superoxide or mitochondrial membrane potential. Pharmacological inhibition of mitochondria revealed analogous kinetics of cytochrome redox state and the strength of HPV.The data of this thesis thus suggest inhibition of complex IV as an essential step in mitochondrial O2 sensing of HPV. Concomitantly, increased superoxide release from complex III and mitochondrial membrane hyperpolarization may initiate the pathway underlying HPV.In isolated lungs, HPV may be modulated by oxygenation state of hemoglobin, whereas there is no evidence for carbon monoxide playing a role via cytochrome P450. Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV) ist ein wesentlicher Mechanismus der Lunge, um die Perfusion an die alveoläre Ventilation anzupassen und so den pulmonalen Gasaustausch zu optimieren. Mitochondrien sind dabei möglicherweise die Sauerstoffsensoren der HPV. Derzeit bestehen konkurrierende Hypothesen bezüglich eines mitochondrialen Sensing-Mechanismus: Eine erhöhte oder erniedrige Produktion von Sauerstoffradikalen am Komplex I oder III oder eine lokalisierte, leichte Abnahme der ATP Produktion könnten die Signalkaskade einleiten. Vor diesem Hintergrund, untersuchte die vorliegenden Arbeit die sauerstoffabhängige Regulation des Redox-Status mitochondrialer Cytochrome und der mitochondrialen Atmung in der isoliert perfundierten und ventilierten Lunge und in glatten Muskelzellen pulmonalarterieller Gefäße (PASMC).Methodische Limitationen bisheriger Untersuchungen wurden durch die Anwendung von Remissionspektrometrie überwunden, wodurch der Redox-Status mitochondrialer Cytochrome während Hypoxie und Normoxie in intakten Lungen und PASMC bestimmt werden konnte. Mit hochauflösender Respirometrie wurde gleichzeitig die Atmung in isolierten Zellen erfasst. Veränderungen dieser Parameter wurden mit der Stärke der HPV und Hypoxie-induzierten zellulären Antworten in isolierten Zellen, wie Superoxidfreisetzung in der mitochondrialen Matrix und dem mitochondrialen Membranpotential, verglichen. Zur Kontrolle wurden glatte Gefässmuskelzellen der Aorta und der Nierenarterie (ASMC, RASMC) herangezogen. Eine hypoxie-induzierte Abnahme der mitochondrialen Atmung erfolgte gleichzeitig mit Beginn der HPV in der isolierten Lunge. In isolierten PASMC ging die Abnahme der Atmung und Reduktion der mitochondrialen Cytochrome c und aa3 (Komplex IV) mit einem Anstieg der Superoxidkonzentration in der mitochondrialen Matrix, sowie einer mitochondrialen Membranhyperpolarisierung einher. Cytochom bl/h (Komplex III) war bezogen auf Cytochrom c und aa3 unter Hypoxie mehr oxidiert. Im Gegensatz zu PASMC, zeigten RASMC eine niedrigere Abnahme der Atmung und keinen Anstieg von Superoxid oder dem Membranpotential unter Hypoxie. Während pharmakologischer Inhibierung der Mitochondrien korrespondierte der cytochromale Redox-Status mit der Stärke der HPV.Die Daten der vorliegenden Arbeit legen daher nahe, dass die Inhibierung von Komplex IV ein wesentlicher Schritt beim mitochondrialen Sauerstoffsensing der HPV ist. Gleichzeitig könnte ein Anstieg der Sauerstoffradikalfreisetzung von Komplex III und des mitochondrialen Membranpotentials die der HPV zugrunde liegende Signaltransduktion initiieren. In isolierten Lungen ist die HPV ausserdem möglicherweise durch den Oxygenierungstatus des Hemoglobin moduliert, während es keinen Hinweis darauf gibt, dass Kohlenmonoxid mittels Cytochrome P450 Interaktion eine Rolle spielt.