Charakterisierung unterschiedlicher Signal- und Stoffwechselwege in humanen Atemwegsfibroblasten im Hinblick auf ihre Beteiligung an der Regulation der Proliferation und der Kollagensynthese

Abstract

Remodelingprozesse der Atemwege, die typischerweise als Langzeitfolge chronisch-entzündlicher Lungenerkankungen auftreten, zeichnen sich maßgeblich durch ein verstärktes Zellwachstum von Bindegewebszellen und eine übermäßige Synthese und Sekretion von Proteinen der Extrazellulärmatrix aus. Den Atemwegsfibroblasten kommt in diesem pathophysiologischen Geschehen eine besondere Bedeutung zu, da sie als strukturgebende Zellen des Bindegewebes und als Hauptproduzenten der extrazellulären Matrix wesentlich an der Gewebehomöostase und an fibrotischen Umbauprozessen beteiligt sind. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Signal- und Stoffwechselwege humaner Atemwegsfibroblasten untersucht, die an der Regulation der Proliferation und der Kollagensynthese beteiligt sind bzw. sein könnten und somit die Umbauprozesse im Rahmen chronischer Atemwegserkrankungen beeinflussen könnten.<br /> Die bedeutende Hochregulation der Arginaseisoenzyme im Rahmen chronischer Atemwegserkrankungen im Lungengewebe zusammen mit ihrer Rolle als Ornithinlieferant, das als Ausgangsprodukt zur Synthese des Kollagenbausteins L Prolin und der Polyamine dient, lässt die Frage nach ihrer Bedeutung in Stoffwechselvorgängen, die an der Steuerung von Zellwachstum und der Bereitstellung von extrazellulären Matrixproteinen beteiligt sind, aufkommen. In humanen Atemwegsfibroblasten konnte mit Hilfe der semiquantitativen mRNA-Expressionsanalyse lediglich die Arginase II detektiert werden; eine Arginase I Expression auf mRNA Ebene war nicht nachzuweisen. Die enzymatische Aktivität der Arginase in humanen Atemwegsfibroblasten war mit den zur Verfügung stehenden Methoden im photometrischen Assaysystem nicht messbar. Weder die Kollagen I Synthese noch die Proliferation wurde durch eine Inhibition der Arginase im in vitro Zellmodell beeinflusst, so dass ein therapeutischer Einsatz von Arginaseinhibitoren zur Reduzierung fibrotischer Vorgänge im Rahmen chronisch-entzündlicher Atemwegserkrankungen fraglich erscheint. <br /> Klinische Studien deuten darauf hin, dass der Muskarinrezeptorantagonist Tiotropium die zunehmende Verschlechterung der Lungenfunktion bei Patienten mit COPD aufzuhalten vermag, was auf eine Beteiligung cholinerger Mechanismen an den strukturellen Veränderungen im Rahmen chronischer Atemwegserkrankungen hinweist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Beteiligung von Muskarinrezeptoren an der Kollagensynthese in humanen Atemwegsfibroblasten genauer untersucht und es konnte eine signifikante Steigerung der Kollagensynthese durch Inkubation mit Muskarinrezeptoragonisten nachgewiesen werden. Das Expressionsmuster muskarinischer Rezeptoren in humanen Atemwegsfibroblasten konnte durch den Einsatz der semiquantitativen PCR bestätigt werden, wobei der M2 Rezeptor der hervortretende Muskarinrezeptor ist. Durch Präinkubation der Zellen mit dem Muskarinrezeptorantagonist Tiotropium wird der Muskarinrezeptor-vermittelte Anstieg der Kollagensynthese konzentrationsabhängig gehemmt. Untersuchungen zum Signalweg zeigten, dass der M2-Rezeptor und der MAPK-Signalweg maßgeblich an der Vermittlung dieses Effektes beteiligt sind.<br /> Die antifibrotischen Effekte erhöhter cAMP-Spiegel in Fibroblasten sind bereits seit langem bekannt. Agonisten an Gαs-gekoppelten Rezeptoren, wie beispielsweise das β-Sympathomimetikum Isoprenalin und der EP2 Rezeptoragonist Butaprost, vermögen ebenfalls die Proliferation von humanen Atemwegsfibroblasten deutlich zu inhibieren. Die darüber hinaus beteiligten Signalwege sind allerdings nur teilweise charakterisiert und neben dem klassischen cAMP Effektor – der Proteinkinase A (PKA) – sind hier die Guaninnukleotidaustauschfaktoren Epac1 und Epac2 von Interesse. Durch Untersuchungen mit Hilfe eines PKA-spezifischen cAMP-Analogons und durch Einsatz verschiedener PKA-Inhibitoren konnte eine Rolle der PKA bei der antiproliferativen Wirkung erhöhter cAMP-Spiegel in Fibroblasten weitgehend ausgeschlossen werden; die signifikante Inhibition der Proliferation nach Einsatz von Epac-spezifischen cAMP-Analoga, zusammen mit der signifikanten Rechtsverschiebung der Konzentrations-Wirkungs-Kurve von Butaprost nach Einsatz von Epac1-spezifischer siRNA legen eine Beteiligung des Guaninnukleotidaustauschfaktors Epac1 an der Inhibition der Proliferation nahe.