(Patho)physiologische Rolle des Endocannabinoids Anandamid bei der bronchialen Tonusregulation

Abstract

Asthma und COPD gehören zu den häufigsten chronischen Erkrankungen und sind Hauptursachen für Morbidität und Mortalität bei Kindern und Erwachsenen weltweit. Diese obstruktiven Lungenerkrankungen sind durch einen erhöhten Atemwegswiderstand, eine Entzündung der Bronchien, eine Verdickung des Epithels und eine erhöhte Schleimproduktion gekennzeichnet. Vor allem die Bronchokonstriktion stellt für die Patienten ein großes Problem dar und ist daher das Hauptziel der derzeitigen Behandlungsstrategien. Beta2 Sympathomimetika und Anticholinergika werden eingesetzt, um den Atemwegstonus zu senken, doch sprechen viele Patienten nicht zufriedenstellend auf diese Medikamente an oder leiden unter Nebenwirkungen. Daher werden alternative Wirkstoffe dringend benötigt. In einer früheren Studie haben wir festgestellt, dass das Endocannabinoid System, ein körpereigenes System aus Enzymen, Rezeptoren und Lipid-Mediatoren, den Gefäßtonus in der Lunge reguliert. Daher wollten wir im nächsten Schritt untersuchen, ob auch der Atemwegstonus durch das Endocannabinoid System beeinflusst wird. Das am besten charakterisierte Endocannabinoid ist Anandamid (AEA); es gibt einige Hinweise darauf, dass AEA den Atemwegstonus bei Meerschweinchen modulieren kann. Die (patho)physiologische Bedeutung dieses Effekts ist jedoch unklar. Um die Rolle von AEA bei der Regulierung des Atemwegstonus zu klären, haben wir die Wirkung von AEA auf isolierte Atemwege (Trachealringe) der Maus und Präzisionsschnitte der Lunge (PCLS) ex vivo analysiert. Daneben haben wir die zugrundeliegenden Signalwege aufgedeckt sowie die in vitro beteiligten Zelltypen identifiziert. Abschließend bestimmten wir die in vivo Wirkung von AEA auf den Atemwegswiderstand und analysierten eine mögliche pathophysiologische Rolle von AEA im Mausmodell des Ovalbumin-induzierten Asthmas. <br /> Experimente in den Tracheen und PCLS von Mäusen zeigten, dass AEA eine starke Bronchorelaxation hervorruft. Dieser Effekt war bei Cnr1-/-/Cnr2-/- Doppelknockout Mäusen unverändert, wurde aber bei Faah-/- Mäusen und C57BL/6J Tieren, die mit dem FAAH Inhibitor URB597 vorbehandelt wurden, stark abgeschwächt. Durch die Verwendung des nicht hydrolysierbaren AEA Analogons Met-AEA konnte die wichtige Rolle von FAAH-abhängigen Metaboliten für die bronchiale Relaxation bestätigt werden. Die Analyse der mRNA Expression zeigte hohe Level für Faah in der Trachea und der Lunge, was mit einer starken FAAH Aktivität in diesen Geweben korrelierte. Zusätzliche Kraftmessungen zeigten, dass auch der FAAHabhängige AEA Metabolit Arachidonsäure eine Atemwegsrelaxation induziert. Mit dem Cyclooxygenase Inhibitor Indometacin konnten die relaxierenden Effekte von AEA und AA stark minimiert werden. Außerdem verminderte eine Kombination von EP2 und EP4 Antagonisten die AEA-abhängige Atemwegsrelaxation, was darauf hindeutet, dass die AEAabhängige Bronchorelaxation PGE2-abhängig ist. Tatsächlich führte die AEA Stimulation von Trachealringen, humanen trachealen Epithelzellen (hTEPC) und glatten bronchialen Muskelzellen (hASMC) zur Produktion von PGE2 und dessen nachgeschaltetem Mediator cAMP. Interessanterweise waren in den Lungen von OVA-sensibilisierten Mäusen die AEA Konzentrationen sowie die Expression der AEA Syntheseenzyme im Vergleich zu den gesunden Kontrolltieren reduziert, was darauf hindeutet, dass eingeschränktes AEA Signaling zur Pathophysiologie von Asthma beitragen könnte. Schließlich führte die Applikation von AEA in asthmatischen Mäusen zu einer Bronchorelaxation in PCLS und auch zu einer Reduktion des Atemwegswiderstands in vivo, was auf eine potenzielle therapeutische Bedeutung des AEA Signalwegs auch bei obstruktiven Lungenerkrankungen hindeutet. <br /> Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit die wichtige Rolle der AEA/FAAH Achse bei der Regulierung des Atemwegstonus aufzeigt. Wir konnten AEA als wirksames Bronchorelaxans in gesunden und asthmatischen Mäusen identifizieren und die besondere physiologische und pathophysiologische Bedeutung der Endocannabinoid Signalübertragung bei obstruktiven Lungenerkrankungen demonstrieren. Diese Erkenntnisse könnten mittelfristig zu neuen therapeutischen Ansätzen bei chronischen Lungenerkrankungen führen.

Asthma and COPD are among the most common chronic diseases representing a leading cause of morbidity and mortality in children and adults worldwide. These obstructive lung diseases are characterized by elevated airway resistance, bronchial inflammation, thickening of the epithelium and increased mucus production. In particular bronchoconstriction is a major problem for patients and therefore the main target of current treatment strategies. Beta adrenergic agonists and anti-cholinergics are applied to lower airway tone, however, there are many patients that do not respond satisfactorily to these drugs or suffer from side effects. Hence, alternative drug targets are urgently required. In a previous study we found that the endocannabinoid system that is an endogenous biological system comprised of enzymes, receptors and lipid mediators, regulates vascular tone in the lung. Therefore, we now wondered if also airway tone can be affected by the endocannabinoid system. The best-characterized endocannabinoid is anandamide (AEA) and there are few hints that AEA can modulate airway tone in guinea pigs. However, the (patho)physiological relevance of this effect is still unclear. To clarify the role of AEA in airway tone regulation, we analyzed the effect of AEA on isolated airways and precision cut lung slices (PCLS) of mice ex vivo, uncovered the underlying signaling pathways and identified the cell types involved in vitro. Finally, we determined the in vivo effect of AEA on airway resistance and assessed a potential pathophysiological role of AEA in the mouse model of ovalbumin (OVA)-induced asthma. <br /> Experiments in murine tracheas and PCLS revealed that AEA induces a strong bronchorelaxation. This effect was unaltered in Cnr1-/-/Cnr2-/- double knockout mice but it was strongly attenuated in Faah-/- mice and C57BL/6J mice pretreated with the FAAH inhibitor URB597. By use of the non-hydrolyzable AEA analogue Met-AEA the important role of FAAH-dependent metabolites for bronchorelaxation was confirmed. Analysis of mRNA expression demonstrated high Faah levels in trachea and lung, which correlates with a strong FAAH activity in these tissues. Additional force measurements show that also the FAAHdependent AEA metabolite arachidonic acid induced airway relaxation, using the cyclooxygenase inhibitor indomethacin, the relaxing effects of AEA and AA were diminished. Furthermore, a combination of EP2 an EP4 antagonists strongly attenuated AEA-dependent airway relaxation indicating that PGE2 is involved. In fact, stimulation of tracheal rings, human tracheal epithelial (hTEPC) and airway smooth muscle cells (hASMC) by AEA resulted in the production of the PGE2 and its downstream mediator cAMP. Interestingly, in lungs of OVAsensitized mice AEA levels as well as the expression of AEA synthesis enzymes were reduced compared to healthy controls indicating that impaired AEA signaling could contribute to the pathophysiology of asthma. Finally, also in asthmatic mice AEA application induced airway relaxation in PCLS and also in airway resistance measurements in vivo suggesting a potential therapeutic capacity of AEA signaling. <br /> Summarized, this work reveals the important role of the AEA/FAAH axis in airway tone regulation. We establish AEA as an effective bronchorelaxant in healthy and asthmatic mice, which demonstrates the physiological and pathophysiological relevance of endocannabinoid signaling in vivo.