Alveolare Flüssigkeitsreabsorption bei akuter und chronischer Hypertonie mit Linksherzinsuffizienz

Abstract

Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Ergebnisse gewähren wesentliche Einblicke in die Pathophysiologie des hydrostatischen Lungenödems und zeigen mögliche neue Behandlungsansätze zu dessen Therapie auf. Traditionell wurde die Bildung des hydrostatischen Lungenödems ausschließlich einer gesteigerten kapillaren Flüssigkeitsfiltration zugeschrieben. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass neben der verstärkten Flüssigkeitsfiltration eine zusätzlich gestörte alveolare Flüssigkeitsreabsorption in die Pathogenese des Druck-induzierten hydrostatischen Lungenödems involviert ist. Die alveolare Flüssigkeistreabsorption folgt passiv dem aktiven Na+-Transport über die alveolaren Epithelzellen. Der Signalweg, über den das kapillare Endothel dem alveolaren Epithel den gestiegenen pumonal-kapillaren Druck kommuniziert, war bislang unklar. Ein potentieller Kandidat für die interkompartimentelle Signaltransduktion ist das endothelial gebildete Stickstoffmonoxid (NO), da NO vom Endothel in Reaktion auf erhöhten hydrostatischen Druck rasch gebildet wird, als frei-diffusibles Gas die alveolo-kapillare Barriere überwinden kann und in vitro den Na+-Transport in alveolaren Typ II Epithelzellen hemmt. In unseren Untersuchungen haben wir eine interkompartimentelle Doppelindikator- Verdünnungstechnik zur Messung der alveolaren Flüssigkeitsreabsorption, des alveolaren Flüssigkeitseinstroms (AFI) und der Netto-Flüssigkeitsbewegung in der isoliert-perfundierten Rattenlunge verwendet und mit optischen Bildgebungsverfahren zur Messung der endothelialen NO–Bildung und der endothelialen Ca2+-Konzentration kombiniert. Unsere Untersuchungen identifizieren endothelial gebildetes NO als interkomparitmentelles Signalmolekül, welches die alveolo-kapillare Barriere überwindet und über einen lösliche Guanylatzyklase/zyklisches Guanosinmonophosphat/Proteinkinase G (sGC/cGMP/PKG)–abhängigen Signalweg die alveolare Flüssigkeitsreabsorption durch Inhibierung des epithelialen Na+-Kanals hemmt. Wir konnten des Weiteren zeigen, dass die Hemmung der endothelialen NO-Synthase (eNOS) oder des nachgeschalteten sGC/cGMP/PKG Signalweges die alveolare Flüssigkeitsreabsorption bei erhöhtem hydrostatischem Druck wieder herstellt. Entsprechend ist in eNOS-/--Mäusen das Feucht/Trockengewichtsverhältnis als Indikator des Lungenödems bei hydrostatischem Stress deutlich weniger erhöht als in Lungen der entsprechenden Kontrolltiere. Vor Beginn unserer Untersuchungen war zudem bekannt, dass sich bei chronischer Linksherzinsuffizienz aufgrund bis dato ungeklärter Ursachen das Risiko für die pulmonale Ödembildung vermindert (2). Hier identifizierten unsere Untersuchungen eine fehlende endotheliale NO-Antwort auf mechanische oder pharmakologische Stimulation und infolge dessen die Aufrechterhaltung einer intakten alveolaren Flüssigkeitsreabsorption als endogenen Schutzmechanismus gegen die Entwicklung massiver Lungenödeme bei chronischer Linksherzinsuffizienz.

The results of this work provide novel insights into the pathophysiology of hydrostatic pulmonary edema and thus, open new avenues for its treatment by innovative therapeutic strategies. Traditionally, the formation of hydrostatic lung edema has been exclusively attributed to an increase in capillary fluid filtration. Yet, recent investigations suggested an additional impact of impaired alveolar fluid reabsorption on the pathogenesis of pressure-induced hydrostatic lung edema. Alveolar fluid reabsorption is driven by an active sodium transport across alveolar epithelial cells. The transmission of the hydrostatic stress signal from the capillary endothelium to the alveolar epithelium was unknown as of yet, but would require an intercompartmental signal mediator. A potential candidate is endothelial-derived nitric oxide (NO), since NO is rapidly formed by endothelial cells in response to hydrostatic stress, it can rapidly diffuse across the alveolo-capillary barrier to adjoining epithelial cells, and is known to inhibit active Na+ transport in alveolar type II cells in vitro. Here, we used a newly-developed double indicator dilution technique for the determination of alveolar fluid reabsorption, alveolar fluid influx and net fluid shift and combined this approach with real time fluorescence imaging for measurement of endothelial NO formation and [Ca2+]i signaling. We identified endothelial-derived NO as an intercompartmental signaling mediator, which transcends across the alveolo- capillary barrier and inhibits alveolar fluid reabsorption by inhibition of the epithelial sodium channel (ENaC) via a soluble guanylat cyclase/cyclic guanosine monophasphate/protein kinase G (sGC/cGMP/PKG) dependent pathway. Furthermore we were able to show that alveolar fluid reabsorption is restored after inhibition of endothelial NO synthase or the subsequent cGMP/PKG pathway. In line with this notion, we demonstrated that the increase in lung wet/dry weight ratio as a marker for hydrostatic edema formation is attenuated in eNOS-/- mice as compared to wild-type mice. These results substantiate our findings that NO is a key molecule in the formation of hydrostatic lung edema. Prior to these investigations it was already known that the risk for hydrostatic lung edema is attenuated in patients with chronic left heart failure. In this scenario, our studies revealed a lack of endothelial NO formation in response to mechanical and pharmacological stimulation resulting in preservation of alveolar fluid reabsorption as an endogenous protection mechanism against the development of overt lung edema and alveolar flooding in chronic left heart failure.