Pathophysiology of vasoactive mediators Endothelin-1 and NO and their interaction in animal models

In dieser kumulativen Arbeit werden insgesamt 7 Studien des Autors zum Thema „Pathophysiologie der vasoaktiven Mediatoren Endothelin-1 und NO sowie ihrer Interaktion am Tiermodell“ vorgestellt. Beide Systeme sind im Gefäßendothel aktiv und bekanntermaßen beteiligt am Vasotonus, sowie an Inflammations- und Fibrosevorgängen. Sie wirken als Antagonisten und man nimmt an, dass sie über einen Regelkreis mit negativer Rückkoppelung verbunden sind, wobei Endothelin via ETB-Rezeptor die Bildung von NO fördert, welches dann die Expression von Endothelin inhibiert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die pathophysiologische Bedeutung der Systeme, sowie die ihrer Interaktion in vivo in verschiedenen Tiermodellen zu untersuchen: Wir konnten im Schweinemodell des akuten Lungenversagens durch inhalative Applikation eines ETA –Rezeptors- Antagonisten den Gasaustausch verbessern, die Mortalität senken und die pulmonale Inflammationsreaktion supprimieren. Wir konnten keinen Effekt einer Defizienz des ETB –Rezeptors im Tiermodell der Peritonealfibrose bei Peritonealdialyse nachweisen. Wir konnten durch orale Applikation eines sGC- Aktivators im hypertensiven, niereninsuffizienten Tiermodell (5/6 Nephrektomie) den Blutdruck signifikant senken, den histologisch nachgewiesenen kardiorenalen Endorganschaden und die weitere Progression der Niereninsuffizienz verlangsamen. Wir zeigten an einem eigens zu diesem Zweck etablierten und validierten Tiermodell, dass eine Blockade der NO-Synthethasen in der Tat zu einer deutlichen Hochregulation der renalen ET-Expression führt, welche interessanterweise gewebespezifisch unterschiedlich moduliert war. Mit dieser Studie ist eine Interaktion ET-NO-Interaktion im Sinne des beschriebenen Regelkreises in der Niere in vivo bewiesen. Wir konnten an zwei zu diesem Zweck etablierten transgenen Mausmodellen (ET+/+iNOS-/- und ET+/+eNOS-/-) zeigen, dass die für den ET-NO-Regelkreis pathophysiologisch relevante Rückkoppelung über die eNOS mediiert wird, da das diesbezügliche Tiermodell im Sinne der Hypothese den erwarteten Phänotyp –gekennzeichnet durch Hypertension, histologische Gefäßveränderungen und eine deutliche vaskuläre Hochregulation des Endothelinsystems- zeigt. Jedoch ist auch die Interaktion von ET und iNOS pathophysiologisch relevant, da ein Fehlen der iNOS beim ET-überexprimierenden Tier zu einer Abschwächung der ET-induzierten Herzveränderungen führt. Wir demonstrierten weiterhin, dass eine Blockade des NO-Systems bei Endothelin-überexprimierenden Mäusen zu einem inflammatorischen und fibrotischen Phänotyp der Lunge führt. Dieser Effekt tritt weder beim Wildtyp, noch bei ET-überexprimierenden Mäusen mit gleichzeitiger ET- Rezeptorblockade auf. Dies verweist auf die ET-NO-Imbalance als wesentlichsten pathophysiologischen Auslöser des pulmonalen Gewebeschadens in unserem Modell. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das Endothelinsystem im Tiermodell des Lungenversagens eine wesentliche Rolle spielt, eine therapeutische Nutzbarkeit ist naheliegend und sollte in klinischen Studien evaluiert werden. Die Abwesenheit eines nachweisbaren Effektes einer ETB –Rezeptordefizienz auf die Peritonealfibrose bei Peritonealdialyse in unserer Arbeit verlangt nach analogen Studien mit ETA –Antagonisten, bevor ein endgültiges Urteil über die pathophysiologische Bedeutung des ET-Systems in diesem Krankheitsbild gefällt werden kann. Mit Blick auf das NO/cGMP-System legen unsere Ergebnisse einen Nutzen von sGC-agonistischen Wirkprinzipien in hypertensiologisch- kardiovaskulären Indikationsgebieten nahe; dies ist bereits Gegenstand aktueller klinischer Studien. Wir konnten in vivo für das renale Gewebe die ET-NO-Interaktion im Sinne eines negativ rückgekoppelten Systems beweisen. Dass dieser Interaktion pathophysiologisch mehr Bedeutung zukommt als der Aktivität des Einzelsystems konnten wir an der Modulation des pulmonalen Phänotyps der ET-überexprimierenden Mäuse demonstrieren. Zwei Mausmodelle mit einer fixierten Dysbalance zwischen ET und NO-System wurden daraufhin beschrieben (ET+/+iNOS-/- und ET+/+eNOS-/-), wobei dem ET+/+eNOS-/- Modell im Sinne des beschriebenen ET-NO-Regelkreises die größere pathophysiologische Bedeutung zukommt.This work contains a summary of 7 studies that the author has conducted in order to elucidate the pathophysiological impact of the endothelin- and NO /cGMP-system and their interaction in vivo. Both systems are known to be located in vascular endothelium, to regulate vasotonus and contribute to inflammatory/fibrotic tissue damage. They act as antagonists and it is generally assumed that they form a negatively coupled feedback loop thereby endothelin stimulating NO-release and in turn NO inhibiting ET-1 expression. The objective of this work is to investigate the pathophysiological impact of both systems and their interaction in various animal models: We demonstrated in a pig model of acute lung injury better gas exchange, lower mortality and suppression of pulmonary inflammation after inhalative application of an ETA- receptor-antagonist. We failed to detect any effect of ETB-receptor-deficiency in an animal model of peritoneal fibrosis in peritoneal dialysis. We showed a significant reduction of blood pressure and cardiorenal target organ damage in a rat model of hypertension and chronic renal failure (5/6 nephrectomy) by treatment with an sGC-activator. We created a mouse model for facilitating investigation of ET-1 Expression in vivo and using this model we demonstrated that inhibition of NO-production indeed leads to increased ET-1 expression in the kidney in a cell-type specific manner, thereby providing evidence for the existence of the ET-NO-feedback loop in vivo in the kidney. We demonstrated via creation of 2 transgenic mouse models (ET+/+iNOS-/- und ET+/+eNOS-/-) that the pathophysiologically relevant ET-NO-Interaction seems to be mediated via eNOS as the respective mouse model indeed displayed the phenotype- hypertension, vascular remodelling and significant upregulation of the vascular ET-system-which is expected in ET-NO-Imbalance. However, the iNOS-ET- interaction also bears pathophysiological impact, as the concomitant lack of iNOS in ET-overexpressing mice leads to a significant alleviation of ET- induced cardiac tissue damage. We further showed that inhibition of NO production in ET-overexpressing mice leads to an inflammatory and fibrotic pulmonary phenotype. This effect was absent both in wildtype animals and in ET-overexpressing mice if a dual ET-receptor-blocker was given at the same time. These findings indicate a pivotal role for ET-NO-imbalance as the main cause for pulmonary tissue damage in our model. As a conclusion we state that the ET-system is a major player in acute lung injury. Inhalative ETA –blockade should be evaluated in clinical trials as a treatment option. The absence of any effect of ETB –deficiency in a rat model of peritoneal fibrosis in peritoneal dialysis urges the need for corresponding studies using ETA–antagonists before a final judgement regarding the pathophysiological impact of ET in this disease can be made. Our results indicate beneficial effects of sGC-agonistic compounds in cardiovascular diseases; this is currently investigated in clinical trials. We give evidence for renal ET-NO- interaction in vivo and demonstrated in pulmonary tissue of ET-overexpressing mice that this interaction bears more pathophysiological impact on pulmonary tissue scarring than isolated intervention in one of the systems. Two mouse models (ET+/+iNOS-/- und ET+/+eNOS-/-) with genetically determined imbalance between ET and NO were described in order to study the pathophysiological impact of ET-NO-Imbalance in vivo thereby identifying the ET+/+eNOS-/- mouse as the model with greater pathophysiological relevance concerning vascular ET- NO-Imbalance