TRPV4 in Ventilator-induced Lung Injury – Mechanisms of Endothelial Mechanotransduction and Barrier Regulation in the Lung

Abstract

Acute respiratory failure (ARDS) represents a serious health problem in the western civilization with a high incidence and mortality. In ARDS, mechanical ventilation is the only life-saving treatment. However, long term mechanical ventilation can cause adverse side effects and resulting mechanical forces at the parenchymal level, respectively, can damage the lung by causing alveolar- capillary barrier failure and edema formation. Yet, the exact mechanisms underlying the transduction of these mechanical forces at the microvascular barrier are at present still unclear. The Ca2+ permeable, mechanosensitive transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) cation channel presents a particularly attractive candidate in transmission of mechanical forces into inflammatory or apoptotic cell responses. The current work provides a new insight into the cellular mechanotransduction cascade that underlies, in that TRPV4 acting as the central mechanosensor in this scenario, is activated by mechanical stretch and concomitant by phosphorylation through serum glucocorticoid-regulated kinase 1 (SGK1). As a consequence of TRPV4-mediated Ca2+ influx, the elevated levels of intracellular Ca2+ lead to opening of Ca2+-activated K+ channels, followed by hyperpolarization of the plasma membrane. In my thesis, I could further show that inhibition of Ca2+-activated K+ channels leads to less Ca2+ influx and stabilizes the endothelial barrier, suggesting a positive feedback on TRPV4 activity by membrane hyperpolarization. In addition, I provide in this work evidence for the existence of a new heteromeric TRP channel complex consisting of TRPV4 and TRPV1 in which TRPV1 is an amplifier of the endothelial Ca2+ response to mechanical stress. Furthermore, I found that release of endothelial microparticles is induced by strong cyclic stretch, and in turn could be attenuated by inhibition of the SGK1/TRPV4 and TRPV1/TRPV4 signaling axes. My findings focus attention on TRPV4-dependent and mechanosensitive dysregulation of endothelial barrier integrity in response to excessive mechanical stretch. TRPV4 is supposed to be the direct and central mediator of ventilator-induced lung injury, and its upstream and downstream effectors may present novel targets in pharmacological approaches to reduce the risk for developing lung injury and systemic organ failure in mechanically ventilated patients.

Das Syndrom des akuten Lungenversagens (ARDS) stellt durch hohe Inzidenz und Mortalität ein schwerwiegendes Gesundheitsproblem der westlichen Zivilisation dar. Hierbei stellt mechanische Beatmung die einzige lebensrettende Behandlung dar. Eine längerfristige mechanische Beatmung kann jedoch zu unerwünschten Nebenwirkungen führen, insofern als die entstehenden mechanischen Kräfte auf parenchymaler Ebene zum Versagen der alveolar-kapillären Barriere und Ödembildung und damit zu einer schwerwiegenden Schädigung der Lunge führen können. Die genauen Mechanismen, die dieser Transduktion von mechanischen Kräften an der mikrovaskulären Barriere zugrunde liegen, sind derzeit noch unklar. Der Ca2+ permeable, mechanosensitive „Transient Receptor Potential Vanilloid-4“ (TRPV4) Kationenkanal stellt einen besonders attraktiven Kandidaten bei der Übertragung mechanischer Kräfte in entzündliche oder apoptotische zelluläre Antworten dar. Die aktuelle Arbeit offenbart einen neuen Einblick in die zelluläre Mechanotransduktionskaskade beim Beatmungs- induzierten Lungenschaden, in der TRPV4, der zentrale Mechanosensor in diesem Szenario, durch mechanische Dehnung und gleichzeitige Phosphorylierung via Serum Glukokortikoid-regulierter Kinase 1 (SGK1) aktiviert wird. Als Folge des TRPV4-vermittelten Ca2+ Einstroms führen die erhöhten Konzentrationen an intrazellulärem Ca2+ zur Öffnung von Ca2+-aktivierten K+ Kanälen, was wiederum zu einer Hyperpolarisation der Plasmamembran führt. In der vorliegenden Arbeit konnte ich ferner zeigen, dass die Hemmung von Ca2+ aktivierten K+ Kanälen zu weniger Ca2+ Einstrom und zu einer Stabilisierung der Endothelbarriere führt, was auf ein positives Feedback auf die Aktivität von TRPV4 durch eine Membranhyperpolarisation hindeutet. Darüber hinaus liefere ich in dieser Arbeit Hinweise auf die Existenz eines neuen heteromeren TRP Kanalkomplexes bestehend aus TRPV4 und TRPV1, in dem TRPV1 als Verstärker der Ca2+-Antwort auf mechanischen Stress fungiert. Zudem konnte ich nachweisen, dass durch starke zyklische Dehnung die Freisetzung von endothelialen Mikropartikeln angeregt wird, die wiederum durch die Hemmung der SGK1/TRPV4 und TRPV1/TRPV4 Signalachsen vermindert wird. Meine Ergebnisse lenken den Fokus auf die TRPV4-abhängige und mechanosensitive Dysregulation der endothelialen Barriere- Integrität als Antwort auf exzessive mechanische Dehnung. TRPV4 wird als der direkte und zentrale Regulator des beatmungsinduzierten Lungenschadens identifiziert, und seine stromaufwärts und -abwärts gelegenen Effektoren könnten neue Ziele für pharmakologische Ansätze darstellen, die das Risiko für mechanisch-beatmete Patienten, einen Lungenschaden und systemisches Organversagen zu entwickeln, vermindern könnten.