Moduliert mCLCA3 den pulmonalen Phänotyp der Mukoviszidose?: Pathomorphologische, -morphometrische und molekularbiologische Phänotypisierung eines neuen doppelt transgenen Lungen-Mausmodells für Mukoviszidose

Abstract

Die Mukoviszidose als die häufigste letale angeborene Lungenerkrankung des Menschen wird durch Mutationen im CFTR-Gen hervorgerufen. Dadurch kommt es zu einer verminderten Chloridsekretion, einer erhöhten Natrium- und Wasserabsorption, einer Verminderung des Flüssigkeitsfilms auf der Atemwegsoberfläche, einer Dehydratation des Schleims in den Atemwegen, einer gestörten mukoziliären Reinigung mit einer Verlegung der Atemwege durch Schleim und einer starken Vermehrung von schleimproduzierenden Becherzellen. Für die Erforschung der Lungenpathologie ist ein transgenes Mausmodell am besten geeignet, bei dem der epitheliale Natriumkanal (ENaC) überexprimiert wird. Dieses Modell ist durch die Ausprägung des Mukoviszidose-typischen Lungenphänotyps gekennzeichnet. Der Phänotyp der Erkrankung wird nach heutigem Verständnis durch Modulatorgene beeinflusst, zu denen auch die Mitglieder der CLCA-Familie (Calcium-aktivierter Chloridkanal Regulator, engl. calcium- activated chloride channel regulator) gehören könnten. Um den Einfluss des Modulatorgens mCLCA3 bei der Maus auf den Lungenphänotyp der Mukoviszidose zu untersuchen, wurde ein neues, doppelt transgenes Mausmodell generiert, das sich durch die fehlende Expression von mCLCA3 (mCLCA3-knock-out, hier kurz: „m3-ko“) und die Überexpression von ENaC (ENaC-transgen, hier kurz: „ENaC-tg“) auszeichnet. Die in dieser Arbeit untersuchten Tiere zeigen den Mukoviszidose- typischen Lungenphänotyp. Es wurden vier Genotypen in zwei Altersgruppen (juvenil / 14 Tage alt, adult / 9 Wochen alt) vergleichend pathomorphologisch, -morphometrisch und molekularbiologisch charakterisiert. Dabei wurde der Genotyp ENaC-tg/m3-ko als zentraler Genotyp untersucht, während die Genotypen ENaC-tg/m3-wt, ENaC-wt/m3-ko, ENaC-wt/m3-wt als Vergleichs- bzw. als Kontrollgruppen dienten. Der ENaC-Status war dabei für den wesentlichen Phänotyp verantwortlich, während der mCLCA3-Status nur punktuell einen Einfluss als Modulator auszuüben schien. Das phänotypische Bild der adulten Tiere des Genotyps ENaC-tg/m3-ko wurde dabei im Vergleich zu den Tieren des Genotyps ENaC-tg/m3-wt durch eine signifikant geringere Schleimmenge ( engl. mucus volume density) und eine abgeschwächte Becherzellhyperplasie im gesamten Respirationstrakt bei vergleichbarer Epithelzellhypertrophie und Entzündungsreaktion durch Makrophagen und neutrophile Granulozyten gekennzeichnet. Der mCLCA3-knock-out schien daher im adulten Mausmodell einen gewissen phänotypischen Rescue-Effekt zu verursachen, der sich sowohl auf die Schleimmenge als auch sekundär auf die Becherzellhyperplasie in Form einer Milderung der pulmonalen Veränderungen auszuwirken schien. In der juvenilen Altersgruppe zeigten sich bei den ENaC-tg/m3-ko Tieren im Vergleich zu den Tieren des Genotyps ENaC-tg/m3-wt vor allem die intraluminalen Mukusakkumulationen in der Trachea, die Becherzellhyperplasie im gesamten Respirationstrakt mit Ausnahme der Tracheamitte, die Epithelzellhypertrophie in der Trachea und den großen Bronchien sowie Typ und Stärke der Entzündungsreaktion in einem ähnlichen Schweregrad. Eine signifikant stärkere Ausprägung der Becherzellhyperplasie fand sich hingegen bei den ENaC-tg/m3-ko Tieren lediglich in der Mitte der Trachea sowie eine signifikant größere Epithelzellhypertrophie ausschließlich in den mittelgroßen Bronchien. Zusammenfassend kann für die juvenilen Tiere des Genotyps ENaC-tg/m3-ko gesagt werden, dass sie sich phänotypisch tendenziell vergleichbar mit den juvenilen Tieren des Genotyps ENaC-tg/m3-wt darstellten, wobei sich die Epithelzellhypertrophie in den mittelgroßen und kleinen Bronchien, sowie die Becherzellhyperplasie in der Mitte der Trachea signifikant verstärkt fanden. Scheinbar moduliert der mCLCA3-Status den pulmonalen Phänotyp der Mukoviszidose im juvenilen Mausmodell im Gegensatz zum adulten Modell nicht, wobei die juvenilen Tiere gegenüber den adulten Tieren einen schwerwiegenderen Phänotyp aufweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der m3-knock-out bei adulten Mäusen im Mukoviszidose- Modell zu einer Verbesserung des Lungenphänotyps zu führen scheint und stützen somit die Hypothese, wonach m3 ein Modulator der Mukoviszidose sein könnte. Eine Unterdrückung von m3 in den Atemwegen von Mukoviszidose-Patienten könnte möglicherweise eine neue therapeutische Strategie darstellen, wobei die Rolle der altersbedingt unterschiedlichen Ausprägung dieses Effekts näher untersucht werden sollten.

Cystic Fibrosis is the most common lethal congenital pulmonary disease in humans. It is caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator gene (CFTR) and leads to reduced secretion of chloride, increased absorption of sodium and water, reduction of airway surface liquid, dehydration of airway mucus, reduced pulmonary clearance, mucous airway obstruction and hyperplasia of airway goblet cells. A transgenic model in which mice overexpress the epithelial sodium channel (ENaC) appears suitable for investigating the lung pathology because it resembles the typical pulmonary phenotype of human cystic fibrosis. The phenotype of the disease is thought to be influenced by modifier genes including members of the CLCA family. To investigate the effect of the prospect modifier gene mCLCA3 on the pulmonary phenotype, a new murine model was developed here. This new mouse model comprises mCLCA3-deficiency (mCLCA3-knock-out, here short: “m3-ko”) and ENaC-overexpression (here short: “ENaC-tg”). These mice show the typical pulmonary phenotype of human cystic fibrosis. In this study, pathomorphological and pathomorphometrical changes as well as selected aspects of the molecular biology of these mice were characterized using four genotypes in juvenile and adult individuals in each genotype. The pivotal genotype is ENaC-tg/m3-ko whereas ENaC-tg/m3-wt, ENaC-wt/m3-ko and ENaC-wt/m3-wt function as comparative groups. The major pulmonary phenotype was determined by the ENaC-overexpression whereas the deficient mCLCA3 expression modified the phenotype only selectively. Adult ENaC-tg/m3-ko mice were characterized by reduced hyperplasia of airway goblet cells and significantly decreased mucus volume density in the whole respiratory tract in comparison to adult ENaC- tg/m3-wt mice. Thus deficiency of mCLCA3 seemed to cause a phenotypical rescue effect affecting mucus volume density and hyperplasia of airway goblet cells and thus attenuated the pulmonary modifications in adult ENaC-tg mice. Juvenile ENaC-tg/m3-ko mice showed a similar severity of mucous obstruction in the trachea, hyperplasia of goblet cells in the whole respiratory tract except the middle trachea, hypertrophy of epithelial cells in the trachea and large airways as well as the inflammatory response in comparison to the genotype ENaC-tg/m3-wt. Only in the middle trachea there was a significantly increased hyperplasia of goblet cells and in the medium airways there was a higher hypertrophy of epithelial cells in juvenile ENaC-tg/m3-ko mice compared with ENaC-tg/m3-wt mice. Taken together the juvenile ENaC-tg/m3-ko mice showed a similar severity of the pulmonary phenotype compared with juvenile ENaC- tg/m3-wt mice. Although juvenile ENaC-tg/m3-ko mice showed a more severe phenotype than adult mice of the same genotype there was no obvious rescue effect induced by the mCLCA3-deficiency in young mice. The results of this study show that the mCLCA3-knock-out seems to lead to an improvement of the pulmonary phenotype in adult cystic fibrosis mice and thus support the hypothesis that mCLCA3 could be a modifier of cystic fibrosis. Inhibition of mCLCA3 in the airways of cystic fibrosis patients could possibly represent a new therapeutic strategy. The role of age differences in this effect needs to be determined.