Die Rolle des serotonergen Systems und der Effekt des Serotonin-Antagonisten Tergurid im Zigarettenrauch-induzierten Lungenemphysemmodell der Maus

Abstract

Weltweit gehört die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) zu den häufigsten Todesursachen mit steigender Inzidenz. Neben den erheblichen Leiden für den Patienten kommt es zu zunehmenden sozioökonomischen Belastungen. Bis heute ist noch kein Therapieansatz verfügbar, der die Progression der COPD-Erkrankung verhindert oder gar heilen kann. Derzeit können lediglich die Symptome gelindert und die Lebensqualität der COPD-Patienten verbessert werden. Die genauen Mechanismen, die zur Pathogenese der COPD führen, sind bisher nur ungenügend erforscht. Es gibt Hinweise darauf, dass Zigarettenrauch zu einer Dysregulation des serotonergen Systems führt und somit eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der COPD spielen könnte. Im Rahmen dieser Dissertation sollte daher die Bedeutung der Serotoninrezeptoren 5-HTR2A/2B und des Serotonintransporters (5-HTT) in Lungen von COPD-Patienten, als auch in Rauch-exponierten Mäusen für die Pathogenese der COPD untersucht werden. Insbesondere stand die Analyse der therapeutischen präventiven Wirkung des nicht-kompetitiven Serotonin-Rezeptor-Antagonisten Tergurid auf die Entwicklung des Rauch-induzierten Emphysems und der pulmonalen Hypertonie an Mäusen im Vordergrund. Darüber hinaus sollten Ansatzpunkte erarbeitet werden, um den Mechanismus der Serotonin-Rezeptoren und des präventiven Effektes von Tergurid auf das Rauch-induzierte Lungenemphysem an Mäuse aufzudecken. Durch Real-time PCR und Western Blot Analysen konnte eine signifikant erhöhte Expression von 5-HTR2A und 5-HTR2B im Lungenhomogenat von COPD-Patienten, als auch in 8 Monaten Rauch-exponierten Mäusen nachgewiesen werden. Mit Hilfe des verwendeten Zigarettenrauch-induzierten Lungenemphysem-Mausmodells und einer präventiven Medikation von Tergurid konnte gezeigt werden, dass Tergurid einen protektiven Einfluss auf die Rauch-induzierten strukturellen und funktionellen Veränderungen des Lungengefäßsystems und der Alveolen hat. Eine präventive Behandlung mit Tergurid im Rauch-induzierten Emphysem führte zu einer deutlichen Verbesserung der Lungenfunktion und zu einer Verminderung des Emphysems in den Lungen der Mäuse. Im Hinblick auf die Rauch-induzierte pulmonale Hypertonie konnte bei den Tergurid-behandelten Rauch-exponierten Tieren ein deutlich niedrigerer systolischer rechtsventrikulärer Druck, eine reduzierte Muskularisierung der kleinen Gefäße und ein Ausbleiben einer Rechtsherzhypertrophie, als auch ein geringerer Verlust der pulmonalen Gefäße festgestellt werden. Des Weiteren führte Tergurid zu einem erhöhten Serotoninspiegel im Plasma Rauch-exponierter Mäuse. Durch Kompartiment-spezifische Analysen wurde eine erhöhte Expression des 5-HTTs in Gefäßen von Placebo-behandelten Rauch-exponierten Mäusen detektiert. In den alveolaren Septen dieser Versuchsgruppe konnte weiterhin eine erhöhte Expression des 5-HTR2B und des 5-HTTs ermittelt werden. Tergurid führte in den Gefäßen Rauch-exponierter Mäuse zu einer deutlich reduzierten Expression von 5-HTR2A und 5-HTT. In den Alveolar-Septen hingegen zeigten Tergurid-behandelte Rauch-exponierter Mäuse eine verminderte 5-HTR2B und 5-HTT-Expression. Eine Rauch-induzierte gesteigerte 3-Nitrotyrosin-Bildung konnte durch Tergurid nicht verhindert werden. Auf zellulärer Ebene zeigte Tergurid eine anti-apoptotische Wirkung auf die Serotonin-bedingte erhöhte Apoptose-Rate in murinen Alveolarepithelzellen Typ II (AEC II) als auch eine anti-proliferatorische Wirkung auf die durch Serotonin-induzierte erhöhte Proliferation in murinen Endothelzellen. Eine präventive Behandlung mit Tergurid scheint somit vor einer Rauch-induzierten pulmonalen Hypertonie und einem Lungenemphysem in Mäusen zu schützen. Vorausgesetzt, dass man diese Ergebnisse auf die Menschen übertragen kann, könnte Tergurid als eine neue Behandlungsmöglichkeit für Patienten mit COPD in Frage kommen. Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a major cause of death worldwide, with a rising incidence. Besides the burden for the patients it results also in a high socioeconomic burden. To date there is still no therapy available that can either cure or even prevent the progression of COPD. Currently, only symptoms can be alleviated to improve slightly the quality of life of COPD patients. The pathogenesis of COPD is still not fully understood. There are indications that cigarette smoke leads to a dysregulation of the serotonergic system and thus could play an important role in the pathogenesis of COPD. Therefore the objectives of the present thesis were to investigate the influence of serotonin receptors 5-HTR2A/2B and the serotonin transporter (5-HTT) in lungs of COPD patients as well as in smoke-exposed mice. Another focus was to analyse a putative preventive therapeutic effect of the non-competitive serotonin receptor inhibitor terguride on the development of smoke-induced emphysema and pulmonary hypertension in mice. Additionally, this study aimed to discover potential mechanisms of serotonin receptors and the preventive terguride-effect on smoke-induced lung emphysema in mice. Real-time PCR and western blot analysis showed an increased expression of 5-HTR2A and 5-HTR2B in lungs from COPD patients compared to healthy donors. Similar alterations were found in 8 months tobacco smoke-exposed mice. By using the tobacco smoke-induced emphysema mouse model and a parallel preventive application with terguride, it was shown that terguride had a protective effect on the smoke-induced structural and functional changes of the pulmonary vasculature and alveoli. Terguride treatment led to a significant improvement of lung function and a reduction of emphysema in mice. With regard to smoke-induced pulmonary hypertension a significantly lower right ventricular systolic pressure, reduced muscularization of small vessels and an absence of a right heart hypertrophy as well as a smaller loss of pulmonary vessels were found in terguride treated smoke-exposed animals. Furthermore terguride led to increased serotonin levels in blood plasma of smoke-exposed mice. A compartment-specific analysis determined an increased expression of 5-HTT in vessels and an increased expression of 5-HTR2B and the 5-HTT in the pulmonary alveolar septa of placebo-treated smoke-exposed mice. In vessels of terguride treated smoke-exposed mice a significantly reduced expression of 5-HTR2A and 5-HTT could be detected. However, terguride-treated smoke-exposed mice showed a decreased 5-HTR2B and 5-HTT expression in alveolar septa. The previously described smoke-induced 3-nitrotyrosine formation could not be prevented by terguride. On cellular level terguride showed an anti-apoptotic effect on the serotonin-induced increase of apoptosis in alveolar epithelial cells type II (AEC II) as well as an anti-proliferative effect on the serotonin-induced increase of proliferation in endothelial cells.Taken together, tobacco smoke inhalation seems to affect the expression of 5-HTR2A/2B and treatment of mice with the 5-HTR2A/2B inhibitor terguride can prevent smoke-induced pulmonary hypertension and emphysema. If these data are transferable to humans, pharmacologic approaches that target the receptors 5-HTR2A/2B may offer new treatment options for patients with COPD.