Experimentelle Untersuchungen zur Rolle des Sphingosinkinase/ Sphingosin-1 -Phosphat-Systems bei pulmonaler Inflammation

Abstract

Hintergrund: Sphingosin-1-Phosphat (S1P) fungiert in zahlreichen Signalwegen als zentraler bioaktiver Mediator, sowohl intrazellulär als Second Messenger als auch extrazellulär über eine Familie G-Protein-gekoppelter Rezeptoren, S1P1-S1P5. Die Synthese von S1P wird in der Lunge primär durch die Sphingosinkinase-1 (SphK1) katalysiert. Das SphK/S1P-System spielt eine zentrale Rolle in der Regulation des pulmonalen Gefäß- und Atemwegstonus sowie in der Modulation proinflammatorischer Prozesse wie Migration und Aktivierung verschiedener Leukozyten-Subpopulationen. Immunologische Prozesse scheinen in der Pathogenese der pulmonalarteriellen Hypertonie (PAH) eine zentrale Rolle zu spielen. Bei Mäusen führt die pulmonale TH2-Inflammation zu morphologischen und funktionellen Veränderungen, die typisch für die PAH sind, einschließlich perivaskulärer Leukozyteninfiltration, pulmonalarteriellem Remodeling und pulmonalvaskulärer Hyperreagibilität (PVH) auf vasokonstriktorische Stimuli. In dieser Arbeit wurde die Rolle des SphK/S1P-Systems in der akuten und chronischen pulmonalen TH2-Inflammation mit Hilfe SphK1- (SphK1-/-) und S1P4-defizienter Mäuse (S1P4-/-) untersucht. Zudem erfolgte erstmals eine detaillierte Charakterisierung des humanen SphK/S1P-Expressionsprofils der Lunge, inklusive vergleichender Analysen zwischen Patienten mit und ohne chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD). Methoden: SphK1-/-- und Wildtyp-Mäuse (WT) wurden gegenüber Ovalbumin (OVA) sensibilisiert und nach akutem oder chronischem Regime atemwegsexponiert. Neben vergleichenden Analysen funktioneller pulmonaler Parameter in isoliert perfundierten und ventilierten Mauslungen (IPML) erfolgten Untersuchungen der bronchoalveolären Lavage (BAL) sowie differenzierte histologische Analysen des pulmonalarteriellen Remodelings. S1P4-/-- und WT-Mäuse wurden unter akuter pulmonaler TH2-Inflammation sowie in TH1- und TH2-assoziierten Hypersensitivitäts-Modellen untersucht. Neben funktionellen Untersuchungen (IPML) erfolgten Zytokinanalysen und diverse In-vitro-Studien. Unter Einsatz humanen Lungengewebes wurden die mRNA-Expressionsprofile beider SphK- Isoformen, der S1P-Rezeptor-Familie sowie der S1P-degradierenden Enzyme von 25 COPD- und 24 Nicht-COPD-Patienten vergleichend analysiert. Ergebnisse: Die SphK1-Defizienz führte im Vergleich zu den WT-Tieren zu einer verringerten akuten pulmonalen TH2-Inflammation und reduzierter Atemwegshyperreagibilität (AHR) bei unveränderter PVH. Bei chronischer Inflammation war hingegen eine deutlich elevierte PVH in den SphK-/--Mäusen detektierbar sowie ein ausgeprägtes pulmonalarterielles Remodeling, charakterisiert durch intimale Neomuskularisation. Die S1P4-Defizienz hatte eine Aggravierung der akuten pulmonalen TH2-Inflammation und AHR zur Folge, bei zugleich reduzierten Interleukin (IL)-17-Spiegeln der BAL. Die PVH zeigte sich unverändert. In den Hypersensitivitäts-Modellen zeigten sich eine erhöhte TH2-und eine verminderte TH1-Antwort bei S1P4-Defizienz. In-vitro-Untersuchungen ergaben reduzierte IL-17-Spiegel nach CD4+-Zell-Aktivierung durch S1P4-/- dendritische Zellen. Die Expressionsanalysen des humanen Lungengewebes wiesen eine bei COPD- Patienten im Vergleich zu Nicht-COPD-Patienten verringerte Expression von S1P5 nach. Schlussfolgerung: Diese Daten zeigen erstmals eine deutliche Dissoziation TH2-induzierter Atemwegs- und Gefäßpathologie: Während sich die SphK1-Defizienz protektiv auf Inflammation und AHR auswirkt, kommt es zu einer Aggravierung der PVH bei zugleich ausgeprägtem pulmonalvaskulärem Remodeling. Neben der vielfach postulierten Relevanz in der Entstehung von Asthma bronchiale, könnte das SphK/S1P-System eine zentrale Rolle in der Pathogenese der PAH spielen. S1P4 scheint wesentlich an der Modulation der allergischen Atemwegsinflammation und AHR des SphK/S1P-Systems beteiligt zu sein. Die stark verringerten IL-17-Spiegel bei S1P4-Defizienz deuten auf eine Inhibition der TH17-Zelldifferenzierung hin. Die Ursache und Bedeutung der verringerten Expression von S1P5 bei COPD ist gegenwärtig unklar. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels der einzelnen Komponenten des SphK/S1P-Systems sind weitere Untersuchungen erforderlich, um gezielte pharmakologische Interventionen des SphK/S1P-Systems bei pulmonalen Erkrankungen wie PAH, Asthma bronchiale und COPD etablieren zu können.

Introduction: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a fatal condition characterized by increased pulmonary vascular resistance, pulmonary arterial remodeling and right heart failure. Pulmonary Th2 inflammation induces morphological and functional changes which resemble those observed in PAH, including perivascular inflammation, pulmonary vascular hyperresponsiveness and pulmonary arterial remodeling. The bioactive sphingolipid sphingosine-1-phosphate (S1P) acts through five G-protein coupled receptors, S1P1-S1P5, as a vasoconstrictor and an important modulator of immune signaling. In the lung, S1P is predominantly synthetized by sphingosine kinase 1 (SphK1). Methods: SphK1-deficient mice (SphK1-/-), S1P4-deficient mice (S1P4-/-) and the corresponding wild-type mice (wt) were employed in acute and chronic ovalbumin-evoked pulmonary inflammation. The effects of SphK1- and S1P4-deficiency on inflammation, airway responsiveness, pulmonary vascular responsiveness and pulmonary arterial remodeling were investigated. Results: Acute inflammation was accompanied by airway and pulmonary vascular hyperresponsiveness. Airway inflammation and hyperresponsiveness were reduced in SphK1-/- mice, while being aggravated in S1P4-/- mice as compared to wt mice. Pulmonary vascular hyperresponsiveness did not differ between strains. After chronic Th2 inflammation, SphK1-/- mice showed an increased vascular hyperresponsiveness compared with wt mice accompanied by remodeling of the small and intra-acinar arteries. A linear regression between functional and morphometric vascular data could be shown. Conclusion: The SphK/S1P system may play a protective role in the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension. Moreover, this study provides further evidence for the relevance of the SphK/S1P system in allergic airway disease and is the first demonstration of a dissociation between airway and vascular pathology induced by Th2-type of inflammation.