Sauerstoffsensoren und Signaltransduktionswege der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion : die Rolle von Diacylglycerol, spannungsabhängigem Ca2+-aktiviertem Kaliumkanal(BK) und Hämoxygenase 2

Abstract

Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV) ist ein bedeutender Mechanismus, welcher den pulmonalen Gasaustausch optimiert, indem der pulmonale Blutfluss an die alveoläre Ventilation angepasst wird. Trotz intensiver Forschung seit der Erstbeschreibung durch von Euler und Liljestrand im Jahre 1946 konnten bis heute die Sauerstoffsensormechanismen und Signaltransduktionswege der akuten, protrahierten und chronischen hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion nicht vollständig geklärt werden.Es gilt als gesichert, dass die HPV durch eine Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration ([Ca2+]i) der pulmonalarteriellen glatten Muskelzellen (PASMC) zustande kommt. Die Tatsache, dass akute Hypoxie in isolierten PASMC eine [Ca2+]i Erhöhung und Kontraktion auslöst, zeigt, dass diese sowohl als Sensor- als auch Effektorzelle der akuten HPV gelten. NADPH-Oxidasen, Mitochondrien, Hämoxygenase-2 (HO-2) und eine Reihe von Ca2+- und K+-Kanälen werden als in Frage kommende O2-Sensor- und -Signaltransduktionsmechanismen der HPV diskutiert. Neuere Untersuchungen konnten eine Schlüsselrolle des transient receptor potential channels 6 (TRPC6) für die akute HPV belegen.Um die Steuerung von TRPC6-Kanälen durch Diacylglycerol (DAG) während der HPV zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Dissertation die Rolle des potenziellen TRPC6-Aktivators DAG an isolierten, perfundierten und ventilierten Mauslungen mittels pharmakologischer Beeinflussung des DAG-Stoffwechsels durch R59949 (DAG-Kinase-Inhibitor), 1-Oleoyl-2-acetyl-sn-glycerol (OAG) (DAG-Analogon) und U73122 (PLC-Inhibitor) überprüft. Es zeigte sich, dass R59949, OAG und U73122 eine Hemmung der akuten HPV provozieren, wobei diese für R59949 und OAG gegenüber der Vasokonstriktion mit dem Thromboxananalogon U46619 spezifisch war. Aufgrund dieser Resultate konnte eine entscheidende Rolle von DAG respektive PLC als Bestandteil der Signaltransduktionskaskade der akuten HPV belegt und die Beeinflussung des TRPC6-Kanals durch DAG als upstream-Mechanismus der Signalkaskade der akuten HPV postuliert werden. Eingebunden in den aktuellen Kenntnisstand konnte so ein neues Modell der O2-Sensor- und Signaltransduktionswege erstellt werden.Weiterhin wurde ein Versuchsmodus etabliert, um die Rolle von DAG auf die protrahierte Phase der HPV zu untersuchen. Es zeigte sich, dass R59949 im Gegensatz zur akuten HPV die protrahierte Phase der HPV nicht beeinflusst. Daraus konnte postuliert werden, dass DAG, wie auch TRPC6, keine Rolle für die als Übergang in chronische Hypoxie gedeutete protrahierte Phase der HPV spielt. Diese Resultate unterstützten die Annahme, dass für die akute und protrahierte Phase der HPV zwei verschiedene O2-Sensor- und Signaltransduktionswege existieren.Weiterhin wurde das kürzlich diskutierte Modell von HO-2 und spannungsabhängigem Ca2+-aktiviertem Kaliumkanal (BK) als universeller O2-Sensormechanismus in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich des pulmonalen Gefäßbettes untersucht. HO-2- und BK-Kanal-defiziente Mäuselungen zeigten keinen Unterschied in der Stärke der akuten und protrahierten Phase der HPV im Vergleich mit entsprechenden Wildtypen. Darüber hinaus bestand kein Unterschied hinsichtlich des pulmonalen Hochdrucks, welcher sich nach 3-wöchiger, chronischer Hypoxie sowohl in Wildtyp- als auch in HO-2- respektive BK-Kanal-defizienten Mäusen ausprägte und mittels Messung der rechtsventrikulären Drücke (RVSP), Bestimmung der Rechtsherzhypertrophie und histologischer Untersuchung der Muskularisierung pulmonalarterieller Gefäße quantifziert wurde. Weder für akute und protrahierte noch für chronische Hypoxie kommt somit das Modell von HO-2 und BK-Kanal als O2-Sensormechanismus innerhalb des pulmonalen Gefäßbettes in Frage. Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is an important mechanism, optimizing pulmonary gas exchange by matching pulmonary blood flow to alveolar ventilation. In spite of intensive research since its first description by von Euler and Liljestrand in 1946, hitherto, oxygen sensing and signal transduction pathways of acute, sustained and chronic hypoxic pulmonary vasoconstriction are not completely elucidated.It is well accepted that acute HPV is induced by an increase of the intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]i) in pulmonary artery smooth muscle cells (PASMC). As isolated PASMC show an increased [Ca2+]i as well as a contraction under hypoxic conditions, those are considered to be sensor as well as effector cells of acute HPV.NADPH-oxidases, mitochondria, heme oxygenase 2 (HO-2), Ca2+-channels and K+-channels are discussed as O2-sensor and signal transduction mechanisms. In addition, recent studies could show, that transient receptor potential channel 6 (TRPC6) plays an essential role in acute HPV.Hence, this dissertation investigated diacylglycerol (DAG) as possible TRPC6 activator. In isolated, perfused and ventilated mice lungs DAG metabolism was pharmacologically influenced by R59949 (DAG-kinase-inhibitor), 1-Oleoyl-2-acetyl-sn-glycerol (OAG) (DAG analog) and U73122 (phospholipase inhibitor).Inhibition of acute HPV could be induced by R59949, OAG and U73122, whereas the inhibition of HPV was specific for R59949 and OAG, compared with vasoconstrictions induced by thromboxan mimetic U46619. Due to these results an indispensable role of DAG and phospholipase C (PLC) as integral part of O2 signalling and signal transduction mechanisms of acute HPV could be demonstrated. Moreover, the regulation of TRPC6 through DAG as an upstream mechanism in acute HPV signal transduction could be postulated. Against the current scientific background a new model of O2 sensor and signal transduction could be developed.Furthermore, an experimental mode was established to investigate the role of DAG in sustained HPV. In contrast to acute HPV, R59949 did not influence the sustained phase of HPV. Thus, it could be postulated that DAG, as shown for TRPC6 in other studies, plays no role in (supposed as transition to chronic hypoxia) sustained HPV.These results strongly support the assumption, that different sensor and signal transduction pathways are active during acute and the sustained HPV.In addition, the recent model of HO-2 and large-conductance Ca2+-activated K+ (BK) channel as universal O2 sensor mechanism was investigated regarding the pulmonary vasculature system. Experiments in isolated, perfused and ventilated lungs of HO-2 and BK deficient mice showed no difference in strength of acute and sustained phases of HPV, compared with corresponding wild type mice. Besides this, there was no difference in development of pulmonary hypertension after 3 weeks of chronic hypoxia, when both HO-2 deficient as BK deficient mice were compared with wild type mice by assessment of right ventricular systolic pressure (RVSP), right ventricular hypertrophy, and the degree of pulmonary vasculature muscularisation. Thus most likely, neither for acute and sustained nor for chronic hypoxia HO-2 and BK channel are a relevant O2-sensor mechanism within the pulmonary vasculature system.