Hypoxic pulmonary vasoconstriction in intact mouse lungs: new insights into cellular mechanisms and therapeutic targets

Abstract

Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is a physiological response to alveolar hypoxia which distributes pulmonary blood flow to alveolar areas of high oxygen partial pressure, thereby optimizing the ventilation/perfusion ratio during localized alveolar hypoxia. Although the principle of HPV was recognized decades ago, its exact pathway still remains elusive. Neither the oxygen sensing process nor the exact pathways underlying HPV are fully deciphered yet. Here, we speculated that HPV originates at the alveolo- capillary level, from where the hypoxic signal is propagated as endothelial membrane depolarization in a connexin 40 (Cx40)-dependent manner to upstream arterioles. In a series of experiments we showed HPV to be largely attenuated by Cx40 inhibition or deficiency in situ and in vivo. Real-time fluorescence imaging revealed that hypoxia causes endothelial membrane depolarization in alveolar capillaries that propagates to upstream arterioles in Cx40+/+ but not in Cx40-/- mice. The subsequent transformation of the endothelial depolarization into a vasoconstriction involves endothelial voltage-dependent α1G subtype Ca2+ channels, cytosolic phospholipase A2 and epoxyeicosatrienoic acids. In further studies we identified previously unrecognized roles for cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) and the transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) cation channel in HPV, as HPV was largely blocked by inhibition or deficiency of either of the two channels, respectively. We further report the newly identified canonical transit receptor potential channel 6 (TRPC6) inhibitors 2910-0498 and 8009-5364 and vasoactive intestinal peptide (VIP) analog RO251553 as novel blockers of HPV in isolated mouse lungs. In summary, our studies identify Cx40, CFTR, and TRP channels as novel mechanistic components and therapeutic targets in the cellular signaling pathway that mediates HPV.

Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV) ist eine physiologische Reaktion auf alveoläre Hypoxie, die den pulmonalen Blutfluss in alveoläre Bereiche mit hohen Sauerstoffpartialdruck lenkt, und dadurch während einer lokalen alveolären Hypoxie das Ventilations-/Perfusions-Verhältnis optimiert. Obwohl das Prinzip der HPV bereits vor Jahrzehnten erkannt wurde, sind die zugrundeliegenden genauen Mechanismen noch immer unbekannt. Weder der Prozess der Sauerstoffrezeption, noch der genaue Signalweg, welcher der HPV zugrunde liegt, sind vollständig entschlüsselt. Hier stellen wir die Hypothese auf, dass die HPV ihren Ursprung auf der alveolokapillären Ebene nimmt, von wo aus das hypoxische Signal in einer Connexin 40 (Cx40)-abhängigen Weise in Form einer endothelialen Membrandepolarisation zu vorgeschalteten Arteriolen weitergeleitet wird. In einer Reihe von in situ und in vivo Experimenten konnten wir zeigen, dass durch Hemmung oder Defizienz von Cx40 die HPV deutlich abgeschwächt wird. Durch Real-time Fluoreszenz-Bildgebung konnten wir zudem zeigen, dass Hypoxie in Cx40+/+ Mäusen zu einer endothelialen Membrandepolarisation in den alveolären Kapillaren führt, die zu den vorgelagerten Arteriolen weitergeleitet wird; in Cx40-/- Mäusen konnte eine solche Weiterleitung hingegen nicht beobachtet werden. An der anschließenden Umwandlung der endothelialen Depolarisation in eine Vasokonstriktion sind endotheliale spannungsabhängige α1G Ca2+-Kanäle, die zytosolische Phospholipase A2 und Epoxyeicosatriensäuren beteiligt. In weiteren Studien konnten wir eine zuvor unbekannte Rolle für den cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) und den transient receptor potential Vanilloid 4 (TRPV4) Kationen-Kanal in der HPV zeigen. Die HPV wurde durch die Hemmung oder den Mangel jeweils beider Kanäle blockiert. Darüber hinaus konnten wir auch die transient receptor potential channel 6 (TRPC6) Inhibitoren 2910-0498 und 8009-5364 sowie das vasoactive intestinal peptide (VIP) Analog RO251553 als neue Inhibitoren in der HPV in der Mauslunge identifizieren. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit Cx40, CFTR und TRP-Kanäle als neue mechanistische Komponenten und therapeutische Ziele in den zellulären Signalwegen der HPV beschrieben.