Dickkopf proteins and their receptors in the adult lung and in idiopathic pulmonary fibrosis

Abstract

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a severe interstitial lung disease that causes destruction of the lungs architecture by accumulation of scar tissue. The prognosis of IPF is poor and currently the benefit of pharmaceutical treatment is very limited. The pathogenetic mechanisms underlying initiation and progression of the disease are still not completely elucidated and are subject of current investigations.An aberrant activation of the WNT/beta-catenin signaling pathway in the lung tissue of IPF patients has recently been reported and an inhibition of this signal transduction cascade was demonstrated to be able to attenuate bleomycin induced pulmonary fibrosis in mice.The present study focused on Dickkopf (DKK) proteins, potent modulators of the WNT/beta-catenin pathway. An antifibrotic effect of these proteins via inhibition of WNT/beta-catenin signaling has already been demonstrated in mouse models of other fibrosing diseases. However, the role of DKK proteins in IPF had not been addressed before. Therefore the aim of the present study was to investigate and to compare the expression and localization of DKK proteins and their receptors low density lipoprotein receptor-related protein (LRP) and Kremen (KRM) in the unaffected adult human lung and in IPF.By quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR) and Western blot analysis, DKK proteins as well as their LRP and KRM receptors were found expressed in unaffected donor and in IPF lung tissues, with a significantly enhanced expression of DKK1, DKK4 and KRM1 in the fibrotic lungs.Immunohistochemistry identified the bronchial epithelium of donors and IPF patients as well as hyperplastic alveolar epithelial cells of IPF patients as major sources for DKK proteins and their receptors in the lung tissue. A pronounced and distinct accumulation of DKK1 was observed in basal bronchial epithelial cells, one of the cell populations considered as epithelial progenitors.Additionally, an enhanced DKK1 protein content was detected in bronchoalveolar lavage fluids of IPF patients by an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA).Analysis of the human bronchial epithelial cell line BEAS-2B by qRT-PCR demonstrated that besides the DKK receptors, other key components of the WNT/beta-catenin signaling cascade can be expressed by human bronchial epithelial cells as well.Taken together, these data indicate an autocrine or paracrine mode of action for DKK at the bronchial epithelium.In summary, DKK proteins and their receptors are largely located in the lung epithelium and their expression is altered in IPF. Since an impairment of epithelial functions is a key feature of IPF, DKK proteins may be of interest for the understanding of IPF pathogenesis and for treatment strategies of this fatal lung disease. Die idiopathische Lungenfibrose (IPF) ist eine schwerwiegende interstitielle Lungenerkrankung, bei welcher durch Anhäufung von Narbengewebe die Lungenarchitektur zerstört wird. Die IPF hat eine schlechte Prognose und derzeit ist der Nutzen von medikamentösen Behandlungen sehr begrenzt. Die Pathomechanismen, welche dem Beginn sowie dem Fortschreiten der Erkrankung zugrunde liegen, sind immer noch nicht vollständig aufgeklärt und sind Gegenstand der aktuellen Forschung.Es wurde bereits über eine abnorme Aktivierung des WNT/beta-catenin-Signalwegs im Lungengewebe von IPF Patienten berichtet und es konnte gezeigt werden, dass die Unterbindung dieser Signaltransduktionskaskade die Bleomycin-induzierte Lungenfibrose in Mäusen hemmt.Die vorliegende Arbeit hat die Dickkopf (DKK) Proteine betrachtet, bei welchen es sich um potente Modulatoren des WNT/beta-catenin-Signalwegs handelt. Ein antifibrotischer Effekt dieser Proteine mittels Hemmung der WNT/beta-catenin-Signaltransduktion konnte bereits in Maus-Modellen anderer fibrosierender Erkrankungen gezeigt werden. Die Rolle von DKK Proteinen in der IPF war zuvor jedoch noch nicht untersucht worden. Ziel der gegenwärtigen Studie war es daher, die Expression und Lokalisation von DKK Proteinen und deren Rezeptoren Low Density Lipoprotein Receptor-related Protein (LRP) und Kremen (KRM) in der nicht betroffenen Erwachsenenlunge und in der IPF Lunge zu untersuchen und zu vergleichen.Mittels quantitativer Real Time Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR) und Western Blot Analyse konnte die Expression von DKK Proteinen und deren Rezeptoren im Lungengewebe von nicht betroffenen Spendern und IPF Patienten aufgezeigt werden, wobei DKK1, DKK4 und KRM1 in den fibrotischen Lungen signifikant verstärkt exprimiert wurden.Immunhistochemische Untersuchungen identifizierten das Bronchialepithel von Spendern und IPF Patienten sowie hyperplastische Alveolarepithelzellen von IPF Patienten als Hauptquellen von DKK Proteinen und deren Rezeptoren im Lungengewebe. Es wurde eine deutlich verstärkte Anhäufung von DKK1 in basalen Bronchialepithelzellen beobachtet, eine der Zellpopulationen welche als epitheliale Vorläuferzellen angesehen werden.Außerdem wurde mittels eines enzymgekoppelten Immunadsorptionstests (ELISA) ein erhöhter Gehalt an DKK1 Protein in bronchoalveolären Lavageflüssigkeiten von IPF Patienten festgestellt.Die Untersuchung der humanen Bronchialepithelzelllinie BEAS-2B mittels qRT-PCR zeigte, dass außer den DKK-Rezeptoren auch weitere Schlüssel-Moleküle des WNT/beta-catenin Signalwegs von humanen Bronchialepithelzellen exprimiert werden können.In der Zusammenschau weisen diese Erkenntnisse auf eine autokrine oder parakrine Wirkungsweise von DKK am Bronchialepithel hin.Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass DKK Proteine und deren Rezeptoren überwiegend im Lungenepithel vorkommen und dass ihre Expression in der IPF verändert ist. Da die Beeinträchtigung von epithelialen Funktionen ein Schlüsselmerkmal der IPF ist, könnten DKK Proteine für das Verständnis der IPF-Pathogenese und für Behandlungsstrategien dieser schwerwiegenden Lungenerkrankung von Interesse sein.