COPD ist die häufigste chronische Erkrankung des Respirationstraktes und Hauptursache für hohe Morbidität und Mortalität weltweit, sowie mittlerweile sozioökonomisch von großer Bedeutung. Bisher ist die Erkrankung nicht heilbar, lediglich Symptom-lindernde Therapieformen sind verfügbar. Um neue Therapieansätze zu identifizieren, müssen die molekularen Mechanismen der Pathogenese der COPD tiefgründiger erforscht und aufgedeckt werden. Es existieren zunehmend Beweise dafür, dass oxidativer Stress ein wichtiges Merkmal bei COPD darstellt. Es gibt Hinweise darauf, dass NADPH-Oxidasen und NO-Synthasen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Persistierung kardio-vaskulärer Erkrankungen spielen könnten. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, aufzuzeigen, ob NADPH-Oxidasen und NO-Synthasen in vivo bei der Entwicklung von COPD eine entscheidende Rolle spielen könnten und per se Regulationen durch Zigarettenrauch-Applikation unterworfen sind. Diese Arbeit konnte zum ersten Mal die Regulation aller NADPH-Oxidasen durch Selektion von Zeitpunkten akuter, subchronischer und chronischer Rauchapplikation aufzeigen, von der Initiierung bis hin zur Ausprägung der Erkrankung. Mit Hilfe des verwendeten Zigarettenrauch-induzierten COPD-Mausmodells konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Untereinheiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten diversen Regulationen in verschiedenen Kompartimenten der Lunge unterlagen. Auf Seite der NADPH-Oxidasen schienen der Aktivator NOXA1 und Organisator NOXO1 und bezüglich der NO-Synthasen iNOS eine außerordentliche Stellung in der Pathogenese einzunehmen. NOXA1 war besonders in relativ frühen Zeitpunkten der COPD-Entwicklung akuter (2 Wochen) und subchronischer (3 Monate) Rauchapplikation verstärkt in Gesamtlunge und pulmonalen Gefäßen exprimiert worden. NOXO1 hingegen zeigte eine permanente Hochregulation in allen untersuchten Kompartimenten. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die induzierbare NO-Synthase zwar nicht in Lungenhomogenat von WT-Mäusen, jedoch speziell in pulmonalen Gefäßen erhöhte Expressionen aufwies, einhergehend mit Senkung der eNOS-Expression. NOXA1, NOXO1 und iNOS waren darüber hinaus in der Lunge, besonders in pulmonalen Gefäßen co-lokalisiert und in gp91phox-/--Mäusen, die Emphysem mit und ohne Rauchexposition bildeten, deutlich überexprimiert. Diese Überexpressionen gingen einher mit verstärkter Bildung von Nitrotyrosin, das aus Superoxid (vor allem NOX-generiert) und NO (iNOS-generiert) gebildet wird, so dass auf eine Synergie dieser Proteine geschlossen werden kann. Diese Beobachtungen konnten in Lungen von humanen COPD-Patienten bestätigt werden. Weiterhin führte Rauchexposition bzw. die Deletion von gp91phox zur Aktivierung von MAP-Kinasen, wodurch vermehrt Proliferation und wahrscheinlich auch Apoptose vermittelt wurde. Die Proliferation konnte durch erhöhte Expression von Cyclin D1 und PCNA nachgewiesen werden. Alveoläre und vaskuläre Charakterisierung und Lungenfunktionstests von 8 Monate Rauch-exponierten Wildtyp- und gp91phox-/--Mäusen zeigte, dass Rauchexposition im Wildtyp und in den Knockouts zu Emphysembildung, verstärkter Muskularisierung und gleichzeitigem Verlust pulmonaler Gefäße, pulmonaler Hypertonie, Rechtsherzhypertrophie und Einschränkung der Lungenfunktion führte. Die Kontrolltiere der Knockouts zeigten vergleichbare Veränderungen mit Ausbleiben der Rechtsherzhypertrophie. Dagegen entwickelten sie spontanes Emphysem ohne die Notwendigkeit der Induktion durch Zigarettenrauch. Da Untersuchungen von MMP-12 ergaben, dass dieses sowohl nach Rauchexposition und in verstärktem Maße nach Ablation von gp91phox exprimiert wurde, könnte u.a. MMP-12 für die Emphysementwicklung bei den Rauch-exponierten Tieren und vor allem bei den nicht-exponierten Knockout-Individuen verantwortlich sein. Durch die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse, gestützt durch parallele Untersuchungen und diverser Veröffentlichungen kann geschlossen werden, dass NADPH-Oxidasen, besonders NOXA1 und NOXO1, wahrscheinlich in Verbindung mit NOX1, und iNOS eine bedeutende Rolle für die progressive Pathogenese der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung spielen, wodurch sie potentielle Targets für die Entwicklung neuer Therapieformen darstellen.
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