Transepitheliale Ionentransport-Prozesse im pulmonalen Epithel von Xenopus laevis : Modulation durch mechanischen Stress und n-Alkohole

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2014

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-10308

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Die Flüssigkeitsschicht, die dem pulmonalen Epithel aufgelagert ist, stellt ein grundlegendes Charakteristikum der Luft-Blut-Schranke aller luftatmenden Vertebraten dar. Um einen effizienten Gasaustausch und eine funktionierende Pathogenabwehr zu gewährleisten, bedarf es einer strikten Regulation der Zusammensetzung und der Höhe dieser Schicht. Die Regulation beruht dabei hauptsächlich auf transepithelialen Ionentransport-Prozessen. Fehlregulationen dieser können sich hingegen in Lungenkrankheiten wie Mukoviszidose oder pulmonale Ödeme manifestieren. Aus diesem Grund ist es wichtig die zugrundeliegenden Ionentransport-Prozesse im pulmonalen Epithel aufzuklären und Modulatoren dieser Prozesse zu identifizieren. In dieser Arbeit wurden elektrophysiologische Ussing-Kammer Messungen an nativen Lungenpräparaten des Krallenfroschs Xenopus laevis (X. laevis) durchgeführt, um den Einfluss von 1) mechanischen Kräften (hydrostatischer Druck, HD; 5 cm Flüssigkeitssäule) und 2) n-Alkoholen auf die Ionentransport-Prozesse zu untersuchen.1) Aus einer früheren Studie war bekannt, dass die Applikation von HD eine ATP-Freisetzung aus den pulmonalen Epithelzellen sowie eine Aktivierung von apikal lokalisierten K+ Kanälen induziert (Bogdan et al. 2008: Pflugers Arch). In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ATP-sensitive K+ (KATP) Kanäle indirekt infolge einer HD-induzierten ATP-Freisetzung via mechanosensitiver Pannexin- und Connexin-Hemikanäle aktiviert werden. Die Erkenntnisse werden dadurch begründet, dass in Anwesenheit spezifischer Pannexin- (Probenecid) und Connexin- (MFA) Hemikanal Inhibitoren die HD-induzierte ATP-Freisetzung sowie die KATP Kanal Aktivierung ausblieb. In RT-PCR Untersuchungen konnten codierende Transkripte der KATP Kanal Untereinheiten Kir6.1 und SUR1, sowie der Pannexin- (Panx1) und Connexin- (Cx30 und Cx43) Hemikanäle auf mRNA Ebene in Lungenhomogenaten von X. laevis nachgewiesen werden. Sowohl die KATP Kanal Aktivierung als auch die ATP-Freisetzung waren durch eine zyklische HD-Applikation über einen längeren Zeitraum wiederholbar und unterlagen keiner Desensitisierung. Diese Ergebnisse unterstreichen eine indirekte Aktivierung der KATP Kanäle in Folge einer mechanosensitiven ATP-Freisetzung und stellen einen neuartigen Mechanotransduktions-Prozess dar, in dem die Hemikanäle als eigentliche Mechanosensoren fungieren. 2) Die Fähigkeit von n-Alkoholen wie Ethanol (EtOH), 1-Octanol (OCT) und 1-Heptanol (HEP), die Aktivität von Ionenkanälen zu modulieren, wurde bereits in neuronalen Zellen aufgezeigt (Dilger 2002: Br J Anaesth). Zudem konnte eine OCT- und HEP-induzierte Aktivierung des CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) Cl Kanals nachgewiesen werden. Der zugrundeliegende Wirkmechanismus von n-Alkoholen ist jedoch noch nicht geklärt. Der CFTR ist im pulmonalen Epithel hoch abundant und spielt eine wichtige Rolle für die Flüssigkeitshomöostase der Lunge. Aus diesem Grund sollte in dieser Arbeit der Mechanismus der n-Alkohol-induzierten CFTR Aktivierung erstmals an einem nativen pulmonalen Epithel (X. laevis) in Ussing-Kammer Messungen charakterisiert werden. Des Weiteren wurde der Einfluss der n-Alkohole auf den heterolog in Oocyten exprimierten humanen CFTR (hCFTR) mittels der two-electrode voltage-clamp (TEVC) Technik untersucht. Die langkettigen n-Alkohole OCT und HEP induzierten sowohl im pulmonalen Epithel als auch in dem hier verwendeten in vitro Modell eine CFTR-abhängige Cl Sekretion. Die OCT- und HEP-induzierte CFTR Aktivierung bedingte zudem die Aktivität der Adenylatzyklase. Wurde die Adenylatzyklase durch einen spezifischen Inhibitor (MDL-12330A) geblockt, so blieben die OCT- und HEP-induzierten Effekte aus. Die Adenylatzyklase stellte demnach den Angriffspunkt der n-Alkohole dar und induzierte eine cAMP-abhängige CFTR Aktivierung. Der kurzkettige n-Alkohol EtOH zeigte in keinem der verwendeten Modellsysteme einen Einfluss auf die CFTR-Aktivität. Die Identifizierung der Adenylatzyklase als Angriffspunkt der n-Alkohole könnte einen generellen Wirkmechanismus darstellen, um die Aktivität von Ionenkanälen sowohl in nicht-erregbaren als auch in erregbaren Zellen zu modulieren.Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein neuer Mechanotransduktions-Prozess sowie Wirkmechanismus von langkettigen n-Alkoholen (OCT und HEP) identifiziert. Beide Mechanismen stellen neue Modulatoren der pulmonalen Ionentransport-Prozesse dar und beeinflussen diese maßgeblich.

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