Funktionsuntersuchungen zum Einfluß von Temperatur auf den ziliären Transport in der Trachea von Mäusen

Abstract

Die mukoziliäre Clearance dient u.a. dem Schutz der Atemwege vor inhalierten Fremdstoffen. Die KSF wird dabei als wichtigste Determinante der mukoziliären Reinigung angesehen. Sie unterliegt zahlreichen Einflussfaktoren und kann an sich verändernde Umweltbedingungen angepasst werden. Neben einem Grundzustand, in dem die Kinozilien mit geringerer Frequenz schlagen, existiert daher ein Zustand gesteigerter KSF. Die molekularen Mechanismen, die bei der Regulation der beiden Zustandsformen der ziliären Aktivität eine Rolle spielen, sind komplex und werden in der Literatur kontrovers diskutiert. Intrazelluläre Ca2+-Ionen scheinen dabei jedoch speziesübergreifen eine zentrale Rolle einzunehmen. Während der Effekt extrazellulärer Rezeptoragonisten, wie z. B. ATP, auf die ziliäre Aktivität umfassend erforscht ist, sind die ziliäre Grundaktivität und der Einfluss der Temperatur auf die ziliäre Aktivität und die dabei zugrunde liegenden zellulären Mechanismen weitestgehend unerforscht. In der hier vorliegenden Arbeit wurde die ziliäre Aktivität ex vivo untersucht. Das verwendete Messsystem ermöglichte es, die ziliäre Aktivität mit Hilfe eines videomikroskopischen Systems aufzuzeichnen. Untersucht wurde der Einfluss einer passageren Temperaturveränderung auf die KSF und die Transportgeschwindigkeit von Dynabeads (PTG) in der Trachea von Mäusen. Es konnte gezeigt werden, dass Temperaturveränderungen einen reversiblen und wiederholbaren Einfluss auf die KSF und PTG ausüben. Die beobachteten temperaturabhängigen Veränderungen der KSF bzw. PTG zeigten dabei eine Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz. Während passagere Temperaturerhöhungen von 30 °C auf 34 °C und 37 °C zu einer Steigerung der PTG führten, wurden die maximalen PTG und KSF bei einer Temperatur von 41 °C gemessen. Die passagere Temperaturerniedrigung auf 22 °C dagegen führte zu einem funktionellen Stillstand des Partikeltransports, die in der Messung minimaler KSF resultierte. Im untersuchten Temperaturintervall zeigte sich dabei ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und der ziliären Transportleistung. Unter Verwendung von Ca2+-freier HEPES-Ringer-Pufferlösung und zusätzlicher Applikation von BAPTA/AM und EGTA wurde ferner die Bedeutung intrazellulärer Ca2+-Ionen bei der Regulation der ziliären Grundaktivität und der Vermittlung temperaturabhängiger Veränderungen der PTG untersucht. Die Applikation von BAPTA/AM zeigte sich dabei ohne Auswirkung auf die ziliäre Grundaktivität und den zuvor festgestellten reversiblen und wiederholbaren Effekt einer passageren einmaligen oder zweimaligen Veränderung der Versuchstemperatur auf die PTG. Diese Beobachtungen liefern Hinweise auf eine mögliche Unabhängigkeit in der Aufrechterhaltung der ziliären Grundaktivität und der Vermittlung temperaturabhängiger Veränderungen der PTG von intrazellulären Ca2+-Ionen. Die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen konnten letztendlich jedoch nicht abschließend geklärt werden. Klarheit könnten Versuche mit zusätzlicher Blockade cAMP- und cGMP-abhängiger Signalkaskaden oder der zusätzlichen Entleerung der intrazellulären Calciumspeicher im Rahmen von zukünftigen Forschungsprojekten schaffen. The mucociliary clearance protects the respiratory system from inhaled pathogens. Its main determining factor is the ciliary beat frequency (cbf). The cbf depends on multiple parameters and ciliary beating can be enhanced in response to varying environmental conditions. Consequentely, the ciliary machinery can function in at least two different modes, which include a low and a high rate of beating. The molecular mechanisms responsible for the regulation of these two modes of ciliary activity are complex and controversially discussed in the published literature. However, it is widely accepted that intracellular Ca2+-iones are crucially involved in the control of ciliary beating in most species. While for instance the effect of ATP on the ciliary beating is widely investigated, the regulation of spontaneous ciliary beating as well as the effect of temperature on the ciliary system and the underlying cellular mechanisms remain unclear.In this work, the ciliary activity was investigated ex vivo by measuring the cbf and the transport rate of defined particles (Dynabeads) in the trachea of mice, using a videomicroscopic system. Temporary changes in temperature in this study had a reversible and repeatable effect on both cbf and ciliary particle transport (cpt). Moreover, the temperature-related changes in cbf and cpt were depending on the difference in temperature. Whereas temporary changes in temperature from 30 °C to 34 °C and 30 °C to 37 °C raised cpt, the maximum cpt and cbf were measured at temperatures as high as 41 °C. In contrast, the temporary reduction of the surrounding temperature to 22 °C resulted in a stagnancy of cpt with minimal cbf. In the studied temperatures a quasilinear correlation between temperature and ciliary transport was found.Using a Ca2+-free HEPES buffering agent and additional application of BAPTA/AM and EGTA, the role of intracellular Ca2+-iones in the regulation of spontaneous ciliary beating and the coordination of temperature-depending changes in cpt were investigated. It was found that the application of BAPTA/AM had no influence neither on spontaneous cbf nor on the reversible and repeatable correlation between temperature and ciliary transport shown before. This data provides indication for a possible independency of basal cbf and temperature-related changes in ciliary activity from intracellular Ca2+-iones. However, the underlying cellular mechanisms could not be conclusively resolved. Further investigation will be necessary to resolve this issue. For example, experiments with additional blockage of cAMP- and cGMP-depending signaling cascades or the additional emptying of the intracellular calcium stores could be carried out.