TGF-beta mediates alveolar fluid balance by regulating the cell-surface stability of the epithelial sodium channel in the lung

Abstract

TGF-beta is a pathogenic factor in patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS), a devastating condition characterized by alveolar edema. In the present study, a novel TGF-beta signaling pathway is described, which rapidly and dramatically promotes endocytosis of the epithelial sodium channel (ENaC) from the surface of alveolar epithelial cells. Elevated TGF-beta levels were demonstrated in bronchoalveolar lavage fluids from ARDS patients, where TGF-beta was identified as the principle in lung fluid of ARDS patients that promoted ENaC endocytosis. Administration of TGF-beta to the alveolar airspaces of isolated rabbit lungs caused pronounced fluid retention and impaired sodium transport. The same effect could be observed in the presence of amiloride, an inhibitor of the epithelial sodium channel, and was abrogated after treatment with SB431542, an inhibitor of TGF-beta signaling via the type I TGF-beta receptor, suggesting ENaC as the target of TGF-beta. Moreover, preapplication of PO abrogated the effects of TGF-beta on net lung mass, indicating a role for F to G actin conversion in mediating the effect of TGF-beta on lung fluid dynamics.TGF-beta rapidly activated phospholipase D1, which activated phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase 1 alpha, which drove NADPH oxidase 4 activation, generating reactive oxygen species which promoted beta-ENaC endocytosis in a manner dependent on Cys43 of beta-ENaC. This led to loss of sodium absorbing capacity of the epithelial cells, and alveolar flooding, promoting the formation or persistence of alveolar edema. These data describe a novel TGF-beta-dependent mechanism that regulates ion and fluid transport in the lung that is relevant to pathological mechanisms at play in ARDS patients. TGF-beta ist ein pathogener Faktor in Patienten mit einem akuten respiratorischen Syndrom (ARDS). Das akute respiratorische Syndrom ist eine schwerwiegende Erkrankung, welche durch ein alveoläres Ödem gekennzeichnet ist. In der vorliegenden Studie wird ein neuer TGF-beta Signaltransduktionsweg beschrieben, der schnell und gravierend eine Endozytose des epithelialen Natriumkanals (ENaC) von der Oberfläche von alveolären Epithelzellen verursacht. In bronchiolo-alveolärer Lavage-Flüssigkeit von ARDS Patienten wurden erhöhte TGF-beta-Konzentrationen gemessen, wobei TGF-beta als der Faktor, der für die Endozytose von ENaC verantwortlich ist, identifiziert wurde. Vernebelung von TGF-beta in die Alveolen von isolierten Kaninchenlungen führte zu einem ausgeprägten Aufstau von Flüssigkeit und vermindertem Natriumtransport in den Lungen. Derselbe Effekt wurde in der Gegenwart von Amilorid, einem ENaC Inhibitoren, beobachtet, und war aufgehoben, wenn vorher SB431542, ein TGF-beta Signaltransduktionsweg-Inhibitor, gegeben wurde. Daraus ließ sich schließen, dass TGF-beta ENaC beeinflusst. Des Weiteren konnte durch Verabreichung von Phalloidin Oleat der durch TGF-beta ausgelöste Effekt auf den Flüssigkeitstransport in der Lunge verhindert werden, was darauf hindeutet, dass die Umwandlung von F- zu G Aktin an dem beobachteten von TGF-beta-induzierten Effekt beteiligt ist. TGF-beta aktivierte innerhalb kurzer Zeit Phospholipase D1, welche wiederum Phosphatidylinositol-4-phosphat 5-Kinase alpha aktivierte, was anschließend zur Aktivierung der NADPH Oxidase 4 führte, die reaktive Sauerstoffspezies produzierte, welche die Endozytose von ENaC verusachten. Dieser letzte Schritt war durch eine Veränderung am Cystein 43 der beta-ENaC Untereinheit bedingt. Die Fähigkeit der Epithelzellen, Natrium zu absorbieren, war dadurch stark reduziert, was einen Flüssigkeitsstau in den Alveolen und damit die Entwicklung oder Persistenz eines alveolären Ödems fördert. Die Daten der vorliegenden Studie dokumentieren einen bisher unbekannten TGF-beta-abhängigen Mechanismus, welcher den Ionen- und Flüssigkeitstransport in der Lunge reguliert, und der daher während der Pathogenese eines akuten respiratorischen Syndroms von großer Bedeutung ist.