Chloride transport-driven alveolar fluid secretion is a major contributor to cardiogenic lung edema

Abstract

Cardiogenic pulmonary edema as a consequence of acute left heart failure has so far been attributed to increased fluid filtration and inhibition of alveolar fluid clearance. In contrast to this classical model, experiments from our group recently showed that alveolar fluid clearance, driven by Na+ absorption though epithelial Na+ channels (ENaC), is not only diminished. In fact, fluid transport reverses from absorption to secretion into the alveolar space. Hence, transepithelial ion and fluid secretion might constitute a so far unrecognized mechanism in the pathophysiology of cardiogenic pulmonary edema. To investigate alveolar fluid secretion as a so far unknown fundamental cause of cardiogenic edema and identify underlying mechanisms, we determined alveolar fluid clearance and secretion by double indicator dilution technique in isolated-perfused rat lungs. Cl- secretion and transepithelial Cl- flux were measured by radionuclide tracing and Cl- sensitive in-situ-microscopy. At elevated left atrial pressure (PLA) alveolar fluid secretion increased markedly, whereas fluid filtration accounted only for a minor portion of the total fluid flux. Parallel to alveolar fluid secretion an augmented Cl- secretion occurred. Both alveolar fluid secretion and Cl- flux were attenuated by inhibitors of Na+-K+-ATPase, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) and Na+-K+-2Cl--Cotransporter (NKCC). Additionally, Cftr -/- mice developed significantly less pulmonary edema at elevated PLA as compared to wild type littermates. Importantly, in the same way as elevated PLA, inhibition of ENaC at physiologic PLA reversed alveolar fluid clearance to fluid secretion and induced a Cl- flux into the alveolar space. As these were again dependent on Na+-K+-ATPase, NKCC and CFTR, we hypothesize that ENaC inhibition replicates the mechanism of alveolar fluid secretion in cardiogenic pulmonary edema. These results confirm for the first time that transepithelial Cl- transport reverses at elevated PLA and thus leads to active fluid secretion in cardiogenic lung edema. This is triggered by inhibition of apical Na+ absorption as Na+-K+-ATPase now creates a basolateral Na+ gradient which leads to Cl- absorption via the secondary active, basolateral NKCC and finally promotes Cl- secretion via apical CFTR. This study identifies alveolar fluid secretion as new key factor in the pathogenesis of cardiogenic lung edema and analyses underlying mechanisms. These insights offer a new explanation for the extra-renal effect of loop diuretics as they identify pulmonary NKCC1 as a new therapeutic target.

Bislang wurde das kardiale Lungenödem infolge eines akuten Linksherzversagens als Konsequenz einer erhöhten Flüssigkeitsfiltration einerseits und einer Hemmung der alveolären Flüssigkeitsresorption andererseits verstanden. Im Gegensatz zu diesem klassischen Modell konnte kürzlich in Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe gezeigt werden, dass die alveoläre Flüssigkeitsresorption, die auf einer Na+-Resorption durch epitheliale Na+-Kanäle (ENaC) im Alveolarepithel beruht, beim kardialen Lungenödem nicht nur vermindert ist. Vielmehr ändert sich der Flüssigkeitsstrom von einer Resorption zur Sekretion in den Alveolarraum. Daher könnte die transepitheliale Sekretion von Ionen und Flüssigkeit einen zusätzlichen, bisher unerforschten Mechanismus in der Pathophysiologie des kardialen Lungenödems darstellen. Um alveoläre Flüssigkeitssekretion als bislang unbekannte, fundamentale Ursache des kardialen Lungenödems zu untersuchen und zugrundeliegende Mechanismen zu identifizieren, wurde mittels einer Doppelindikatorenmethode die alveoläre Flüssigkeitsresorption und -sekretion in isolierten und perfundierten Rattenlungen bestimmt. Die epitheliale Cl-- Sekretion und der transepitheliale Cl--Flux wurden durch radioaktive Ionenmarkierung beziehungsweise durch quantitative Cl--Messung in situ mittels Fluoreszenzmikroskopie ermittelt. Eine Erhöhung des Druckes im linken Vorhof (PLA) führte zu einer erheblichen aktiven Flüssigkeitssekretion, während die passive Flüssigkeitsfiltration nur einen geringen Teil der gesamten Flüssigkeitsverschiebung ausmachte. Parallel zur Flüssigkeitssekretion wurde auch eine erhöhte Cl--Sekretion in den Alveolarraum gemessen. Sowohl die Flüssigkeitssekretion als auch der Cl--Flux zeigten sich von der Na+-K+-ATPase, dem cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) und dem Na+-K+-2Cl--Cotransporter (NKCC) abhängig. Auch entwickelten CFTR defiziente (cftr-/-) Mäuse bei erhöhtem PLA ein gegenüber Wildtyp-Mäusen deutlich geringeres Lungenödem. Zudem wurde gezeigt, dass wie bei erhöhtem PLA auch eine Hemmung von ENaC bei physiologischem PLA die alveoläre Flüssigkeitsresorption in eine Flüssigkeitssekretion umkehren und einen Cl-- Flux in den Alveolarraum hervorrufen kann. Da diese ebenfalls von der Na+-K+-ATPase, NKCC und CFTR abhängig waren, ist anzunehmen, dass die Hemmung von EnaC den Mechanismus der aveolären Flüssigkeitssekretion beim kardialen Lungenödem repliziert. Diese Ergebnisse zeigen erstmals, dass sich bei erhöhtem PLA der transepitheliale Cl--Transport umkehrt und es somit bei kardialem Lungenödem zu einer aktiven Flüssigkeitssekretion in den Alveolarraum kommt. Diese wird durch eine Hemmung der apikalen Na+-Absorption ausgelöst, indem die Na+-K+-ATPase jetzt einen basolateralen Na+ Gradienten aufbauen kann, der eine Cl--Aufnahme über den sekundär aktiven, basolateralen NKCC und letztlich die Cl--Sekretion über den apikalen CFTR bewirkt. In der vorliegenden Arbeit wird die alveolare Flüssigkeitssekretion als neuer Schlüsselfaktor der Pathogenese des kardialen Lungenödems identifiziert und die zugrunde liegenden Mechanismen werden analysiert. Diese Erkenntnisse bieten eine neue Erklärung für die extrarenale Wirkung von Schleifendiuretika, indem sie pulmonale NKCC1 als neue therapeutische Zielstruktur identifizieren.