Acute respiratory distress syndrome (ARDS), a life-threatening disease, is the most frequent cause of death in critical care medicine. Despite numerous clinical trials, effective pharmacological treatments to improve overall survival in ARDS patients are still lacking. This unmet medical need stresses the necessity for a better understanding of the underlying pathophysiology. Dysregulation or inhibition of alveolar fluid clearance (AFC) and loss of alveolar-capillary barrier function due to increased epithelial cell apoptosis are central pathomechanisms in ARDS that promote pulmonary edema, impair gas exchange, and drive respiratory failure. The sodium-coupled neutral amino acid transporter SNAT2 might provide a novel therapeutic target to counteract edema formation and alleviate lung injury. SNAT2, which co-transports a neutral amino acid (AA) along with Na+, may promote AFC by mediating epithelial Na+ uptake but may also counteract alveolar apoptosis via its role as AA transporter. In this study, the role of SNAT2 in AFC and alveolar hemostasis was analyzed in isolated perfused mouse lungs (IPL), different murine models of acute lung injury (ALI), and pulmonary epithelial cells. In IPL, edema formation was induced by hydrostatic stress (left atrial pressure = 7 cmH2O) or fluid instillation (100 µl) in heterozygous SNAT2-deficient (Slc38a2+/-) and corresponding wild type (WT) mice in the presence or absence of SNAT substrate L-alanine, or of SNAT inhibitor α-methylaminoisobutyric acid (MeAIB). Impaired AFC was assessed as changes in lung wet-to-dry weight (wet/dry) ratios. In vivo, ALI was induced in Slc38a2+/- and WT mice by intratracheal instillation of hydrochloric acid (HCl) or intranasal application of lipopolysaccharide (LPS). Protein and RNA expression profiles and wet/dry ratios were analyzed after 2 h or 24 h, respectively. In the epithelial cell line NCI-H441, SNAT2 expression was determined after stimulation with cytomix (TNFα, IFN-γ, IL-1β, LPS) or pneumolysin (PLY). In IPL, Slc38a2+/- mice had elevated wet/dry ratios as compared to WT in response to hydrostatic stress or fluid instillation. L-alanine instillation rescued AFC in WT, yet not in Slc38a2+/- mice. This rescue was sensitive to MeAIB. In response to HCl, wet/dry ratios were increased in Slc38a2+/- mice as compared to WT. In LPS-induced ALI, expressions of ER stress marker ATF4 and pro-apoptotic protein CHOP in lung lysates were elevated in Slc38a2+/- mice compared to WT. Finally, SNAT2 protein expression was decreased in response to cytomix and PLY in NCI-H441 cells. The results of this work identify a crucial role for SNAT2 in alveolar AFC and epithelial cell homeostasis. SNAT2 counteracts lung edema formation, probably by mediating the Na+ uptake that drives AFC. Additionally, SNAT2 maintains alveolar epithelial homeostasis presumably through its role as AA transporter. SNAT2 activation may thus provide for a novel multi-pronged strategy to counteract lung injury.
Der akute Lungenschaden (ARDS, acute respiratory distress syndrome) ist die häufigste Todesursache der Intensivmedizin. Trotz zahlreicher klinischer Studien fehlen bislang Interventionen, die die Mortalität bei ARDS Patienten mindern, was die Notwendigkeit eines besseren Verständnisses der ARDS Pathophysiologie verdeutlicht. Dysregulation bzw. Hemmung des alveolären Flüssigkeitstransports und Verlust der alveolo-kapillaren Barriere aufgrund erhöhter epithelialer Apoptose sind zentrale ARDS Pathomechanismen, die das Lungenödem fördern, und zum respiratorischen Versagen führen. Der Na+-gekoppelten neutrale Aminosäure (AA)- Transporter SNAT2 könnte als neues therapeutisches Target der Lungenödembildung im ARDS entgegenwirken. Als Na+ Transporter fördert SNAT2 vermutlich die alveoläre Flüssigkeitsabsorption. Zusätzlich könnte der SNAT2-vermittelte AA-Transport der alveolären Apoptose entgegenwirken. Hier wurde die funktionelle Bedeutung von SNAT2 im Lungenepithel in isoliert perfundierten Mauslungen (IPL), Mausmodellen des akuten Lungenschadens (ALI) und pulmonalen Epithelzellen analysiert. In der IPL wurde die Ödembildung durch hydrostatischen Stress (linker Vorhofdruck = 7 cmH2O) oder Flüssigkeitsinstillation in heterozygoten SNAT2-defizienten (Slc38a2+/-) und entsprechenden Wildtyp (WT) Mäusen mit oder ohne SNAT Substrat L-Alanin bzw. SNAT-Inhibitor Methylaminoisobuttersäure (MeAIB) induziert. Gestörte Flüssigkeitsabsorption und Ödembildung wurden als Anstieg des Feucht-/Trockengewicht der Lunge (wet/dry ratio) erfaßt. In vivo wurde ein akuter Lungenschaden in Lungen von Slc38a2+/- oder WT-Mäusen durch Salzsäure (HCl) oder Lipopolysaccharid (LPS) induziert. Nach 2 h bzw. 24 h wurden Protein- und RNA-Expressionsprofile und wet/dry ratios der Lungen untersucht. Die SNAT2 Proteinexpression in der Epithelzelllinie NCI-H441 wurde nach Stimulation mit Cytomix (TNFα, IFN-γ, IL-1β, LPS) oder Pneumolysin (PLY) analysiert. In der IPL zeigten Slc38a2+/- Mäuse durch hydrostatischen Stress oder Flüssigkeitsinstillation erhöhte wet/dry ratios im Vergleich zum WT. L-alanin verminderte die wet/dry ratios im WT und MeAIB antagonisierte den protektiven Effekt von L-alanin. Im HCl-ALI, wiesen Slc38a2+/- Mäuse im Vergleich zum WT erhöhte wet/dry ratios auf. Im Modell des LPS-ALI war die Expression des ER-Stressmarkers ATF4 und des pro-apoptotischen Proteins CHOP in Lungen von Slc38a2+/- Mäusen im Vergleich zum WT erhöht. Cytomix oder PLY verminderten in NCI-H441-Zellen die SNAT2 Proteinexpression. Die Ergebnisse weisen eine funktionelle Rolle von SNAT2 im alveolären Flüssigkeitshaushalt nach. SNAT2 wirkt der Lungenödembildung vermutlich durch Vermittlung der epithelialen Na+-Aufnahme, die die alveoläre Flüssigkeitsabsorption antreibt, entgegen. Darüber hinaus vermag SNAT2 durch seine Rolle als AA-Transporter die ER-stressbedingte Apoptose zu reduzieren. Die pharmakologische Aktivierung von SNAT2 könnte daher eine neue Strategie zur Bekämpfung des ARDS darstellen.
