Sekretomodulatorische Effekte des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF auf die Muzinsekretion an der isolierten Rattentrachea nativer und NO2-exponierter Tiere

Eine Facette des klinischen Erscheinungsbildes der „chronic obstructive pulmonary disease“ (COPD) ist die chronische Bronchitis mit einem überwiegend inflammatorischen Korrelat. Der Pathogenese der chronischen Bronchitis liegen komplexe pathophysiologische Vorgänge zugrunde, welche bislang nur unvollstädig bekannt und im Einzelnen nicht vollständig geklärt sind. Die Definition der „global initiative on obstructive lung disease“ (GOLD) erwähnt eine abnormale inflammatorische Reaktion der Lunge auf schädliche Partikel und Gase und rückt somit die Entzündung ins Zentrum der Pathogenese. Zigarettenrauch und wichtige Umweltnoxen wie Stickstoffdioxid (NO2) führen über die hervorgerufene Entzündung bei Menschen und anderen Spezies zu Veränderungen des Atemwegsepithels und zur Stimulation der Produktion von proinflammatorischen Zytokinen wie dem Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (GM-CSF). Die strukturellen Veränderungen schließen auch die Muzin-produzierenden epithelialen Komponenten ein. Ein relevantes klinisches Symptom der chronischen Bronchitis stellt die Hypersekretion dar. Die Regulation der Muzinsynthese und -sekretion unterliegt komplexen neuralen, neuroendokrinen und parakrinen Mechanismen. Mit dem Ziel, zugrunde liegende Regulationsmechanismen der Mukussekretion bei der chronisch inflammatorischen Erkrankung COPD näher zu charakterisieren, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Bedeutung des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF. Folgenden Fragen, welchen eine Bedeutung bei der Regulation der Mukussekretion zukommt, wird in der vorliegenden Arbeit nachgegangen: Welchen Einfluss hat die Lang- und Kurzzeitexposition von NO2 auf die tracheobronchiale Muzinsekretion? Welchen Einfluss zeigt die peptiderge Substanz Substanz P (SP) auf die Muzinsekretion exponierter Tiere auch im Speziesvergleich? Wirkt das proinflammatorische Zytokin GM-CSF sekretagog? Gibt es interaktive Prozesse zwischen dem Zytokin GM-CSF und dem Tachykinin SP im Hinblick auf die Sekretomodulation? Zur experimentellen Klärung dieser Fragestellungen wurde ein etabliertes Tiermodell gewählt. Für das Studium der Reaktionsweise entzündlich alterierter Atemwege erfolgte die inhalative Exposition gegenüber NO2 im Rattenmodell. Die Muzinsekretion wurde an Trachealexplantaten von Fischerratten (F344-Ratten) und Sprague-Dawley-Ratten (SD-Ratten) durch die Anwendung der etablierten Ussing-Kammer-Methode untersucht. Zur Quantifizierung der Sekretion trachealer submuköser Drüsen erfolgte die radioaktive Markierung der Muzine mit 35S. Zum Studium der trachealen Muzinsekretion erfolgte die inhalative Exposition mit Induktion einer Schädigung und Herbeiführung einer akuten und subakuten bis chronischen Tracheobronchitis. Mit standardisierter Methodik wurden bei männlichen Ratten der jeweiligen Spezies Expositionszeiten von 1, 3 und 20 Tagen sowie darüber hinaus teilweise von 2 und 28 Tagen gegenüber NO2 bei einer Konzentration von 10 ppm gewählt. Kontrolltiere wurden einer Atmosphäre ohne NO2 ausgesetzt. Neben der Basalsekretion wurde zunächst an den Trachealexplantaten die maximal stimulierte Sekretion durch Acetylcholin (ACh) in Stadien der artifiziellen Entzündung und im Nativzustand erfasst. Mit diesen Grundlagen kann ein sekretomodulatorischer Effekt des Peptides SP und eine Dosis-Wirkungs-Beziehung des proinflammatorischen Zytokins GM-CSF im zeitlichen Verlauf unter NO2-Exposition untersucht werden. Zudem wurde hinsichtlich des Sekretionsergebnisses die Frage nach einem additiven Effekt von GM-CSF und SP an langzeit-exponierten Tracheen untersucht. Die Sekretionsanalyse ergab, dass eine NO2-Exposition von 10 ppm die Muzinsekretion der Rattentrachea beider Spezies zeitabhängig nicht signifikant beeinflusst. Es zeigten sich allerdings gleichgerichtete Tendenzen ohne Signifikanz im Sekretionsverlauf. Im Speziesvergleich zeigten dabei SD-Ratten eine größere sekretorische Potenz im Vergleich zu F344-Ratten im Sinne eines nahezu parallel verschobenen Sekretionsniveaus auf. Darüber hinaus wurde die Sekretionsrate nativ und bis zu einer Expositionsdauer von 20 Tagen bei beiden Spezies durch Acetylcholin im Vergleich zur Basalsekretion signifikant gesteigert. Hierbei fanden sich im direkten Vergleich zu den nativen Fischerratten wiederum signifikante Differenzen nach 3 sowie 20 Tagen. Signifikante sekretagoge Effekte von Substanz P ließen sich bei Fischerratten und SD-Ratten sowohl bei den Kontrolltieren als auch bei nahezu allen untersuchten Expositionsgruppen aufzeigen. GM-CSF zeigte in unserem Rattenmodell der COPD dosis- und expositionszeitabhängig eine Stimulation der trachealen Muzinsekretion. Eine signifikante Sekretionsantwort in der 3-Tages-Expositionsgruppe konnte für 0,1 ng/ml GM-CSF und für 0,4 ng/ml GM-CSF demonstriert werden. Zudem fand sich eine Signifikanz in der 20-Tages-Expositionsgruppe für 0,1 und 0,15 sowie 0,2 ng/ml GM-CSF. Für die Dosis von 0,2 ng/ml GM-CSF ergab sich ein hochsignifikantes Ergebnis. Die gleichzeitige Gabe von GM-CSF und SP zeigte in der Langzeitexposition keinen messbaren additiven sekretagogen Effekt und ergab das Sekretionsniveau von SP. Dies wurde nach 20 Tagen Expositionsdauer untersucht, da für diese Gruppe für beide Einzelsubstanzen jeweils eine signifikante Sekretionsantwort gesehen wurde. Die mutmaßlich unterschiedlichen sekretagogen Mechanismen von SP und GM-CSF sind vereinbar mit der Beobachtung, dass SP auch unabhängig vom Vorhandensein einer Atemwegsinflammation wirksam ist. Diese Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis der Komplexität der bei der Regulation der Muzinsekretion beteiligten Pathomechanismen des Tracheobronchialepithels in der chronischen Bronchitis. Der sekretagoge Effekt von GM-CSF in der chronischen Inflammation wurde demonstriert. Mit dem Ziel einer Beeinflussung der Hypersekretion bei der COPD ist hier ein zielgerichteter therapeutischer Ansatz denkbar. Der Einsatz von neutralisierenden Antikörpern gegen GM-CSF oder dessen Rezeptor ist als spezifisches Therapiekonzept vorstellbar. Dieses ist in Ergänzung zu den etablierten antiinflammatorischen therapeutischen Möglichkeiten bei der COPD zu sehen und ermöglicht im Gegensatz dazu ein zielgerichtetes Eingreifen in die inflammatorische Kaskade. Es bedarf weiterer Untersuchungen, um die Rolle einer solchen Herangehensweise zu konkretisieren