Zur Bedeutung von Proteinkinasen und Phosphatidylinositol- Kinasen für (anti-) cholestatische und (anti-) apoptotische Effekte von Gallensäuren in der Leberzelle

Gallensäuren stellen potente Signalmoleküle dar, die schon in geringen mikromolaren Konzentrationen, wie sie beim Menschen im Serum beobachtet werden, zentrale Leberzellfunktionen auf transkriptioneller und posttranskriptioneller Ebene beeinflussen. Die hydrophoben und potentiell toxischen Gallensäuren Lithocholsäure (LCA) und Chenodeoxycholsäure (CDCA) induzieren Apoptose und Cholestase, während hydrophile Gallensäuren hepatoprotektiv wirken können. Unter ihnen ist die antiapoptotisch und anticholestatisch wirksame Ursodeoxycholsäure (UDCA) von besonderer Bedeutung. UDCA stellt derzeit das einzige wirksame Therapeutikum bei chronischen cholestatischen Leberkrankheiten dar. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Bedeutung intrazellulärer Signaltransduktionswege für die choleretischen, (anti-)cholestatischen und (anti-)apoptotischen Wirkungen physiologischer Gallensäuren in verschiedenen experimentellen Modellen. Hauptziel der Arbeit war die genauere Charakterisierung (i) der für den klinisch bedeutenden anticholestatischen Effekt des Taurinkonjugats der Ursodeoxycholsäure (TUDCA) verantwortlichen Signaltransduktionswege, und (ii) der zentralen Stellung von PI3-Kinasen in der intrazellulären Signalvermittlung der biologischen Effekte hydrophiler und hydrophober Gallensäuren. Im Modell der isoliert perfundierten Rattenleber untersuchten wir die anticholestatische und hepatoprotektive Wirkung der TUDCA in der intakten Leber unter Einsatz pharmakologischer Enzyminhibitoren. Als Leberfunktionsparameter dienten quantitativer Gallenfluß, Sekretion des Modellsubstrats der Konjugatexportpumpe Mrp2, GS-DNP, in die Galle und als Marker der Leberzellschädigung die hepatovenöse LDH-Freisetzung. Simultane Hemmung der cPKCa und der PKA, nicht aber Hemmung von cPKCa oder PKA allein antagonisierte bei Taurolithocholsäure (TLCA)-induzierter Cholestase die protektive Wirkung der TUDCA. Gallenfluß und GS-DNP-Sekretion waren unter gleichzeitiger Hemmung beider Signalwege signifikant reduziert, wohingegen die LDH-Freisetzung deutlich erhöht war. Die Ergebnisse zeigen, dass der posttranskriptionell vermittelte anticholestatische Effekt der TUDCA im etablierten Modell TLCA-induzierter Cholestase durch einen kooperativen cPKC- und PKA-abhängigen Signalweg vermittelt wird. Mitogenaktivierte Proteinkinasen Erk1/2- und p38-abhängige Signalwege hingegen, die als Vermittler von TUDCA-induzierter Cholerese unter nicht-cholestatischen Bedingungen beschrieben wurden, waren im untersuchten Modell ohne Bedeutung für die anticholestatische Wirkung der TUDCA. Mit Hilfe der neu etablierten Biotinylierung von Membranproteinen konnten wir in Ntcp-transfizierten humanen Hepatomzellen (HepG2-Ntcp) zeigen, dass TUDCA unter Cholestase die Insertion von MRP2 in die Hepatozytenmembran anregt. Dieser für die klinische Wirksamkeit der (T)UDCA potentiell bedeutende und im Tiermodell von uns vorbeschriebene Wirkmechanismus konnte damit erstmals in einem humanen Modell nachvollzogen werden. Ein weiterer in vitro Ansatz untersuchte die Phosphorylierung von aus HepG2-Ntcp immunopräzipitiertem MRP2 durch die als Gallensäureneffektoren diskutierten Proteinkinasen cPKCa, nPKCe und PKA. Alle drei Proteinkinasen phosphorylierten, durch den PKC/PKA-Inhibitor Staurosporin hemmbar, MRP2. Diese Phosphorylierung könnte, wie für die Gallensäurentransporter BSEP und NTCP bereits gezeigt, Einfluss auf Aktivität und Membraninsertion von MRP2 haben. Der funktionellen Bedeutung der PI3-Kinasen, welchen in den bisher entschlüsselten Signalwegen sowohl hydrophober/toxischer wie auch hydrophiler/protektiver Gallensäuren eine zentrale Rolle zugesprochen worden war („PI3-Kinasen-Paradoxon“), galten unsere in vitro Untersuchungen zur Aktivität der Isoformen der Klasse I PI3-Kinasen p110a, p110b und p110g nach Stimulation von primären Rattenhepatozyten mit TLCA, GCDCA, TCA und TUDCA in einem neu etablierten isoformspezifischen Kinaseassay. Dabei zeigte sich für jede Gallensäure ein für sie spezifisches Aktivierungsmuster unterschiedlicher PI3-Kinase-Isoformen. PI3-Kinase p110g wurde dabei spezifisch durch die cholestatisch und apoptotisch wirkenden Gallensäuren TLCA und GCDCA aktiviert. In HepG2-Ntcp-Zellen untersuchten wir daher die Bedeutung von p110g für Gallensäuren-induzierte Apoptose nach deren pharmakologischer Hemmung bzw. nach Transfektion mit siRNA gegen p110g. Die apoptotische Wirkung u.a. der Gallensäuren TLCA und GCDCA war unter beiden Methoden der p110g-Antagonisierung deutlich reduziert, wie sowohl in einem Caspase3/7-Assay als auch morphologisch evaluiert. Gallensäuren-unabhängige Apoptose, durch Etoposid bzw. TNFa ausgelöst, war p110g-unabhänig. Die Bedeutung der Aktivierung der PI3-Kinase-Isoform p110a durch TUDCA ist durch weitere experimentelle Untersuchungen zu klären. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit tragen zum Verständnis der komplexen Signalgebung im Rahmen cholestatischer Leberschädigung und der therapeutischen Wirkung der (T)UDCA bei und sind damit für die Entwicklung neuer Therapiestrategien bei cholestatischen Leberkrankheiten potentiell von Bedeutung

The Cholangiocyte Glycocalyx Stabilizes the 'Biliary HCO3 Umbrella': An Integrated Line of Defense against Toxic Bile Acids

BACKGROUND Destruction of cholangiocytes is the hallmark of chronic cholangiopathies such as primary biliary cirrhosis. Under physiologic conditions, cholangiocytes display a striking resistance to the high, millimolar concentrations of toxic bile salts present in bile. We recently showed that a 'biliary HCO3(-) umbrella', i.e. apical cholangiocellular HCO3(-) secretion, prevents cholangiotoxicity of bile acids, and speculated on a role for extracellular membrane-bound glycans in the stabilization of this protective layer. This paper summarizes published and thus far unpublished evidence supporting the role of the glycocalyx in stabilizing the 'biliary HCO3(-) umbrella' and thus preventing cholangiotoxicity of bile acids. KEY MESSAGES The apical glycocalyx of a human cholangiocyte cell line and mouse liver sections were visualized by electron microscopy. FACS analysis was used to characterize the surface glycan profile of cultured human cholangiocytes. Using enzymatic digestion with neuraminidase the cholangiocyte glycocalyx was desialylated to test its protective function. Using lectin assays, we demonstrated that the main N-glycans in human and mouse cholangiocytes were sialylated biantennary structures, accompanied by high expression of the H-antigen (\textgreeka1-2 fucose). Apical neuraminidase treatment induced desialylation without affecting cell viability, but lowered cholangiocellular resistance to bile acid-induced toxicity: both glycochenodeoxycholate and chenodeoxycholate (pKa \geq4), but not taurochenodeoxycholate (pKa \textless2), displayed cholangiotoxic effects after desialylation. A 24-hour reconstitution period allowed cholangiocytes to recover to a pretreatment bile salt susceptibility pattern. CONCLUSION Experimental evidence indicates that an apical cholangiocyte glycocalyx with glycosylated mucins and other glycan-bearing membrane glycoproteins stabilizes the 'biliary HCO3(-) umbrella', thus aiding in the protection of human cholangiocytes against bile acid toxicity

Genetic association analysis identifies variants associated with disease progression in primary sclerosing cholangitis

Objective Primary sclerosing cholangitis (PSC) is a genetically complex, inflammatory bile duct disease of largely unknown aetiology often leading to liver transplantation or death. Little is known about the genetic contribution to the severity and progression of PSC. The aim of this study is to identify genetic variants associated with PSC disease progression and development of complications. Design We collected standardised PSC subphenotypes in a large cohort of 3402 patients with PSC. After quality control, we combined 130 422 single nucleotide polymorphisms of all patients-obtained using the Illumina immunochip-with their disease subphenotypes. Using logistic regression and Cox proportional hazards models, we identified genetic variants associated with binary and time-to-event PSC subphenotypes. Results We identified genetic variant rs853974 to be associated with liver transplant-free survival (p=6.07x10(-9)). Kaplan-Meier survival analysis showed a 50.9% (95% CI 41.5% to 59.5%) transplant-free survival for homozygous AA allele carriers of rs853974 compared with 72.8% (95% CI 69.6% to 75.7%) for GG carriers at 10 years after PSC diagnosis. For the candidate gene in the region, RSPO3, we demonstrated expression in key liver-resident effector cells, such as human and murine cholangiocytes and human hepatic stellate cells. Conclusion We present a large international PSC cohort, and report genetic loci associated with PSC disease progression. For liver transplant-free survival, we identified a genome-wide significant signal and demonstrated expression of the candidate gene RSPO3 in key liver-resident effector cells. This warrants further assessments of the role of this potential key PSC modifier gene.Peer reviewe

Primary biliary cirrhosis

Primary biliary cirrhosis (PBC) is an immune-mediated chronic cholestatic liver disease with a slowly progressive course. Without treatment, most patients eventually develop fibrosis and cirrhosis of the liver and may need liver transplantation in the late stage of disease. PBC primarily affects women (female preponderance 9–10:1) with a prevalence of up to 1 in 1,000 women over 40 years of age. Common symptoms of the disease are fatigue and pruritus, but most patients are asymptomatic at first presentation. The diagnosis is based on sustained elevation of serum markers of cholestasis, i.e., alkaline phosphatase and gamma-glutamyl transferase, and the presence of serum antimitochondrial antibodies directed against the E2 subunit of the pyruvate dehydrogenase complex. Histologically, PBC is characterized by florid bile duct lesions with damage to biliary epithelial cells, an often dense portal inflammatory infiltrate and progressive loss of small intrahepatic bile ducts. Although the insight into pathogenetic aspects of PBC has grown enormously during the recent decade and numerous genetic, environmental, and infectious factors have been disclosed which may contribute to the development of PBC, the precise pathogenesis remains enigmatic. Ursodeoxycholic acid (UDCA) is currently the only FDA-approved medical treatment for PBC. When administered at adequate doses of 13–15 mg/kg/day, up to two out of three patients with PBC may have a normal life expectancy without additional therapeutic measures. The mode of action of UDCA is still under discussion, but stimulation of impaired hepatocellular and cholangiocellular secretion, detoxification of bile, and antiapoptotic effects may represent key mechanisms. One out of three patients does not adequately respond to UDCA therapy and may need additional medical therapy and/or liver transplantation. This review summarizes current knowledge on the clinical, diagnostic, pathogenetic, and therapeutic aspects of PBC