Funktion des Natrium-Kalium-Chlorid-Kotransporters NKCC1 in der alveolären Flüssigkeitsresorption und der Entwicklung des kardiogenen Lungenödems

Abstract

Das kardiogene Lungenödem (CPE) ist eine schwerwiegende Komplikation des akuten Linksherzversagens. Hauptmerkmal ist die Ansammlung Protein-armer extravaskulärer Flüssigkeit im Interstitium und im Verlauf auch im Alveolarraum, die zu einem gestörten pulmonalen Gasaustausch und respiratorischer Insuffizienz führt. In der intakten Lunge schützt die alveoläre Flüssigkeitsresorption (AFC) durch aktiven Wasser- und Ionen-Transport den distalen Alveolarraum vor übermäßiger Flüssigkeitsansammlung. Dieser physiologische Schutz wird jedoch durch hydrostatischen Stress gehemmt. Unsere Arbeitsgruppe konnte bereits zeigen, dass erhöhter hydrostatischer Druck nicht nur die AFC blockiert, sondern auch den transepithelialen Flüssigkeitstransport in eine aktive alveoläre Flüssigkeitssekretion (AFS) umkehrt und damit die Bildung eines CPE fördert. Diese Arbeit untersuchte, ob die CPE-Bildung und AFS durch den basolateral exprimierten Na+-K+-2Cl--Kotransporter 1 (NKCC1) angetrieben werden könnten. NKCC1 kann pharmakologisch durch Schleifendiuretika wie Furosemid inhibiert werden. Die NKCC1-Aktivität wird durch die With No Lysine Kinase 1 (WNK1) über Phosphorylierung reguliert. In isoliert perfundierten Lungen (IPL) heterozygot-defizienter NKCC1-Mäuse (Slc12a2+/), von Wildtypen (WT) nach Furosemidgabe sowie heterozygot-defizienter WNK1-Mäuse (Wnk1+/-) wurde die Ödembildung durch hydrostatischen Stress (Erhöhung des linksatrialen Druckes PLA von 2,5 auf 7 cmH2O) untersucht. Außerdem wurde die NKCC1-Expression in vitro nach Stimulation mit Amilorid, welches den epithelialen Na+-Kanal (ENaC) hemmt, und dem WNK1-Inhibitor WNK463 analysiert. Um darüber hinaus eine mögliche NKCC1-Beteiligung am Lungenödem vom Permeabilitätstyp zu erproben, wurde die NKCC1-Expression und -Aktivität in A549 Epithelzellen unter basalen Bedingungen und nach Stimulation mit Cytomix (TNF-α, IFN-γ, IL-1β) und LPS bestimmt. Die Feucht-Trocken-Quotienten des Lungengewichts (W/D) der WT-IPLs waren unter hydrostatischem Stress erhöht. Die W/D der Slc12a2+/--Lungen und der mit Furosemid behandelten WT-Lungen waren im Vergleich zur Kontrolle signifikant reduziert. Auch die W/D der Wnk1+/--Lungen waren verglichen mit denen der WT vermindert. In A549-Zellen führte weder die Stimulation mit Amilorid noch mit WNK463 zu detektierbaren Veränderungen in der Proteinexpression oder Phosphorylierung von NKCC1. Auch durch Cytomix oder LPS änderte sich die NKCC1-Phosphorylierung in vitro nicht. XI Die vorliegende Arbeit weist die zentrale Rolle von NKCC1 bei der Bildung des CPE nach. Die Ergebnisse liefern eine neue, extrarenale Erklärung für die schnelle antiödematöse Wirkung von Schleifendiuretika und legen nahe, dass eine gezielte NKCC1-Hemmung die Entwicklung des CPE lindern, umkehren oder verzögern kann. Darüber hinaus reduziert auch der partielle WNK1-Verlust die CPE-Bildung, was die Rolle von WNK1 an der AFS und ihren potenziellen Nutzen als therapeutischen Angriffspunkt des Lungenödems hervorhebt.

Cardiogenic pulmonary edema (CPE) is a serious complication of acute left-sided heart failure with a mortality rate of 15%. The major hallmark of CPE is the accumulation of protein-poor extravascular fluid first in the lung interstitium and subsequently also in the air space (“alveolar flooding”) leading to impaired gas exchange and respiratory failure. In the intact lung active Na+ and Cl- absorption protects the distal airspace from excessive fluid accumulation. However, this physiological protection against alveolar flooding by active alveolar fluid clearance (AFC) is lost in CPE. Previously, we have shown that increased hydrostatic pressure not only blocks AFC, but also reverses transepithelial fluid transport resulting in active fluid secretion (AFS), thus promoting CPE formation. Here, we hypothesized that AFS and the resulting formation of CPE may be driven by the basolaterally expressed Na+-K+-2Cl- cotransporter 1 (NKCC1), which can be pharmacologically blocked by loop diuretics like furosemide. Here, we analyzed CPE formation in response to hydrostatic stress (left atrial pressure PLA elevation from 2.5 to 7 cmH2O) in isolated perfused mouse lungs (IPL) of heterozygous NKCC1-deficient (Slc12a2+/-) mice or wildtype (WT) mice after furosemide treatment. To assess the role of the With No Lysine Kinase 1 (WNK1), which regulates NKCC1 activity by phosphorylation, CPE formation was analyzed in IPLs of heterozygous WNK1-deficient (Wnk1+/-) mice. Furthermore, we examined the expression of NKCC1 in vitro after stimulation with amiloride, an inhibitor of the epithelial Na+ channel (ENaC) previously proposed to stimulate AFS, and WNK463 which blocks WNK1.To explore a potential role of NKCC1 also in permeability type PE as seen in the acute respiratory distress syndrome, activation and expression of NKCC1 in A549 epithelial cells was determined at basal conditions and after stimulation with Cytomix (TNF-α, IFN-γ, IL-1β) and LPS. In IPLs, wet-to-dry lung weight ratios (W/D) were increased in response to hydrostatic stress in lungs of WT mice. Slc12a2+/- lungs and furosemide-treated lungs showed significantly reduced W/D as compared to control lungs. In parallel, W/D was reduced in Wnk1+/- as compared to WT mice in response to elevated PLA. In A549 cells, neither stimulation with amiloride nor WNK463 resulted in detectable changes in protein expression and phosphorylation of NKCC1. Similarly, NKCC1 phosphorylation did not differ in response to Cytomix and LPS in A549 cells. IX Here, we identify an important function for NKCC1 in AFS and CPE formation. Our findings provide a novel, extrarenal explanation for the rapid anti-edematous effects of loop diuretics, and suggest that targeted inhibition of NKCC1 may alleviate, reverse or delay the development of CPE. Partial loss of WNK1 similarly reduces CPE, presumably by inhibiting NKCC1, pointing to an important role of WNK1 in AFS and their potential use as therapeutic targets for the treatment of PE.