Ventilator-induced lung injury (VILI) is a serious complication of mechanical ventilation. A contributing factor to the pathophysiology of VILI is oxidative stress. A physiological protective response to oxidative stress is the activation of the Nrf2-ARE pathway. This induces Nrf2-dependent gene expression, ultimately increasing the production of antioxidant proteins to restore redox balance. Pharmacological activation of the Nrf2- ARE pathway is possible with Nrf2 activators including tert-butylhydroquinone (tBHQ) and epigallocatechin-3-gallate (EGCG). The aim of this project was to test whether pharmacological activation of the Nrf-ARE pathway with tBHQ or EGCG is protective against VILI. A mouse model of VILI using high tidal volume (HVT) ventilation to cause acute lung injury was used to answer this question. Prior to mechanical ventilation mice were pretreated with tBHQ, EGCG, 3% ethanol (EtOH3%, vehicle for tBHQ), or phosphate buffered saline (controls). Survival, arterial blood oxygenation and respiratory system compliance were measured to assess functional outcome. Nrf2-dependent gene expression and antioxidant proteins (glutathione, NRF2) were used as surrogates to evaluate the activation the Nrf2-ARE pathway. HVT ventilation severely impaired arterial blood oxygenation and respiratory system compliance, resulting in 100% mortality among controls. Pretreatment with tBHQ improved survival (60%, p<0,001), arterial blood oxygenation and respiratory system compliance compared with controls. Pretreatment with tBHQ also reduced HVT ventilation-associated increase of pro-inflammatory cytokines and increased pulmonary redox capacity indicated by increased pulmonary Nrf2-dependent relative gene expression of Nrf2 and Sod1 at baseline as well as increased concentration of antioxidant proteins NRF2 and glutathione after HVT ventilation. Compared with controls, pretreatment with EtOH3% also improved survival (38,5%, p=0,005) and reduced the pro-inflammatory response in the lung, but did not increase pulmonary redox capacity. Pretreatment with EGCG only minimally improved survival (20%, p=0,061), but neither arterial blood oxygenation nor respiratory system compliance showed an improvement. Pretreatment with EGCG did not reduce HVT ventilation- associated pro-inflammatory response, but increased the relative expression of Gpx2 and Nqo1 at baseline and yielded in the highest relative expression of Gpx2 after HVT ventilation. In this mouse model of VILI, tBHQ increases the pulmonary redox capacity by activating the Nrf2-ARE pathway and protects against VILI. The protective effect of EtOH3% may be mediated by an attenuation of inflammation independent of Nrf2. Despite slightly increasing the Nrf2-dependent gene expression EGCG did not provide any relevant protection against VILI.
Eine schwerwiegende Komplikation der invasiven Beatmung ist der beatmungsinduzierte Lungenschaden (VILI). Oxidativer stress spielt eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie des VILI. Eine physiologische Schutzreaktion auf oxidativen Stress ist die Aktivierung des Nrf2-ARE-Signalwegs. Dieser induziert im Falle von oxidativem Stress eine Nrf2-abhängige Genexpression und erhöht letztendlich die Produktion von antioxidativen Proteinen, um das Redoxgleichgewicht wiederherzustellen. Eine pharmakologische Aktivierung des Nrf2-ARE Signalweges ist mit sogenannten Nrf2-Aktivatoren wie tert-butylhydroquinone (tBHQ) oder epigallocatechin-3-gallate (EGCG) möglich. Ziel dieses Forschungsprojekts war es zu testen, ob die pharmakologische Aktivierung des Nrf2-ARE Signalweges mit tBHQ oder EGCG eine Protektion gegen VILI darstellt. Dazu wurde ein Mausmodell verwendet, bei dem durch Beatmung mit einem hohen Tidalvolumen (HVT) ein beatmungsinduzierter Lungenschaden verursacht wurde. Die Mäuse wurden vor dem Beginn der Beatmung mit tBHQ, EGCG, 3% Ethanol (EtOH3%, Trägersubstanz für tBHQ) oder posphatgepufferte Kochsalzlösung (Kontrollgruppe) vorbehandelt. Die Überlebensrate, der arterielle Sauerstoffpartialdruck und die Compliance des Atemapparates wurden gemessen um das funktionelle Outcome zu bewerten. Nrf2-abhängige Geneexpression und anti- oxidative Proteine (NRF2, glutathione) wurden als Surrogatparameter für die Aktivierung des Nrf-ARE Signalweges verwendet. HVT-Beatmung beeinträchtigte die arterielle Oxygenierung und die Compliance des Atemapparates erheblich, so dass eine 100%ige Mortalität der Kontrollen resultierte. Die Vorbehandlung mit tBHQ verbesserte die Überlebensrate (60%, p<0,001), die arterielle Oxygenierung und die Compliance des Atemapparates im Vergleich zu den Kontrollen. Die Vorbehandlung mit tBHQ reduzierte auch die mit der HVT-Beatmung assoziierte Zunahme der pro-inflammatorischer Zytokine und erhöhte ebenso die pulmonale Redox-Kapazität: die pulmonale Nrf2-abhängige relative Genexpression von Nrf2 und Sod1 vor Beginn der Beatmung sowie die Konsentration antioxidativer Proteine (NRF2, Glutathion) nach HVT-Beatmung waren erhöht. Die Vorbehandlung mit EtOH3% verbesserte ebenfalls die Überlebensrate (38,5%, p=0,005) und verringerte die pro-inflammatorische Reaktion in der Lunge, erhöhte jedoch nicht die pulmonale Redoxkapazität. Die Vorbehandlung mit EGCG verbesserte die Überlebensrate nur minimal (20%, p=0,061), verbesserte jedoch weder die arterielle Oxygenierung noch die Compliance des Atemapparates. Die Vorbehandlung mit EGCG reduzierte zwar nicht die Entzündungsreaktion, erhöhte aber die relative Genexpression von Gpx2 und Nqo1 zu Beginn der Beatmung und ergab nach HVT- Beatmung die höchste relative Expression von Gpx2. In diesem Mausmodell des VILI erhöht tBHQ die pulmonale Redoxkapazität durch Aktivierung des Nrf2-ARE-Signalwegs und zeigt eine protektive Wirkung gegen VILI. Der protektive Effekt von EtOH3% scheint durch eine von Nrf2 unabhängige Inflammationshemmung vermittelt zu werden. Trotz geringfügiger Erhöhung der Nrf2- abhängigen Genexpression bietet EGCG keinen relevanten Schutz gegen VILI.
