Hintergrund: Sphingosin-1-Phosphat (S1P) fungiert in zahlreichen Signalwegen
als zentraler bioaktiver Mediator, sowohl intrazellulär als Second Messenger
als auch extrazellulär über eine Familie G-Protein-gekoppelter Rezeptoren,
S1P1-S1P5. Die Synthese von S1P wird in der Lunge primär durch die
Sphingosinkinase-1 (SphK1) katalysiert. Das SphK/S1P-System spielt eine
zentrale Rolle in der Regulation des pulmonalen Gefäß- und Atemwegstonus sowie
in der Modulation proinflammatorischer Prozesse wie Migration und Aktivierung
verschiedener Leukozyten-Subpopulationen. Immunologische Prozesse scheinen in
der Pathogenese der pulmonalarteriellen Hypertonie (PAH) eine zentrale Rolle
zu spielen. Bei Mäusen führt die pulmonale TH2-Inflammation zu morphologischen
und funktionellen Veränderungen, die typisch für die PAH sind, einschließlich
perivaskulärer Leukozyteninfiltration, pulmonalarteriellem Remodeling und
pulmonalvaskulärer Hyperreagibilität (PVH) auf vasokonstriktorische Stimuli.
In dieser Arbeit wurde die Rolle des SphK/S1P-Systems in der akuten und
chronischen pulmonalen TH2-Inflammation mit Hilfe SphK1- (SphK1-/-) und
S1P4-defizienter Mäuse (S1P4-/-) untersucht. Zudem erfolgte erstmals eine
detaillierte Charakterisierung des humanen SphK/S1P-Expressionsprofils der
Lunge, inklusive vergleichender Analysen zwischen Patienten mit und ohne
chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD). Methoden: SphK1-/-- und
Wildtyp-Mäuse (WT) wurden gegenüber Ovalbumin (OVA) sensibilisiert und nach
akutem oder chronischem Regime atemwegsexponiert. Neben vergleichenden
Analysen funktioneller pulmonaler Parameter in isoliert perfundierten und
ventilierten Mauslungen (IPML) erfolgten Untersuchungen der bronchoalveolären
Lavage (BAL) sowie differenzierte histologische Analysen des
pulmonalarteriellen Remodelings. S1P4-/-- und WT-Mäuse wurden unter akuter
pulmonaler TH2-Inflammation sowie in TH1- und TH2-assoziierten
Hypersensitivitäts-Modellen untersucht. Neben funktionellen Untersuchungen
(IPML) erfolgten Zytokinanalysen und diverse In-vitro-Studien. Unter Einsatz
humanen Lungengewebes wurden die mRNA-Expressionsprofile beider SphK-
Isoformen, der S1P-Rezeptor-Familie sowie der S1P-degradierenden Enzyme von 25
COPD- und 24 Nicht-COPD-Patienten vergleichend analysiert. Ergebnisse: Die
SphK1-Defizienz führte im Vergleich zu den WT-Tieren zu einer verringerten
akuten pulmonalen TH2-Inflammation und reduzierter Atemwegshyperreagibilität
(AHR) bei unveränderter PVH. Bei chronischer Inflammation war hingegen eine
deutlich elevierte PVH in den SphK-/--Mäusen detektierbar sowie ein
ausgeprägtes pulmonalarterielles Remodeling, charakterisiert durch intimale
Neomuskularisation. Die S1P4-Defizienz hatte eine Aggravierung der akuten
pulmonalen TH2-Inflammation und AHR zur Folge, bei zugleich reduzierten
Interleukin (IL)-17-Spiegeln der BAL. Die PVH zeigte sich unverändert. In den
Hypersensitivitäts-Modellen zeigten sich eine erhöhte TH2-und eine verminderte
TH1-Antwort bei S1P4-Defizienz. In-vitro-Untersuchungen ergaben reduzierte
IL-17-Spiegel nach CD4+-Zell-Aktivierung durch S1P4-/- dendritische Zellen.
Die Expressionsanalysen des humanen Lungengewebes wiesen eine bei COPD-
Patienten im Vergleich zu Nicht-COPD-Patienten verringerte Expression von S1P5
nach. Schlussfolgerung: Diese Daten zeigen erstmals eine deutliche
Dissoziation TH2-induzierter Atemwegs- und Gefäßpathologie: Während sich die
SphK1-Defizienz protektiv auf Inflammation und AHR auswirkt, kommt es zu einer
Aggravierung der PVH bei zugleich ausgeprägtem pulmonalvaskulärem Remodeling.
Neben der vielfach postulierten Relevanz in der Entstehung von Asthma
bronchiale, könnte das SphK/S1P-System eine zentrale Rolle in der Pathogenese
der PAH spielen. S1P4 scheint wesentlich an der Modulation der allergischen
Atemwegsinflammation und AHR des SphK/S1P-Systems beteiligt zu sein. Die stark
verringerten IL-17-Spiegel bei S1P4-Defizienz deuten auf eine Inhibition der
TH17-Zelldifferenzierung hin. Die Ursache und Bedeutung der verringerten
Expression von S1P5 bei COPD ist gegenwärtig unklar. Aufgrund des komplexen
Zusammenspiels der einzelnen Komponenten des SphK/S1P-Systems sind weitere
Untersuchungen erforderlich, um gezielte pharmakologische Interventionen des
SphK/S1P-Systems bei pulmonalen Erkrankungen wie PAH, Asthma bronchiale und
COPD etablieren zu können.Introduction: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a fatal condition
characterized by increased pulmonary vascular resistance, pulmonary arterial
remodeling and right heart failure. Pulmonary Th2 inflammation induces
morphological and functional changes which resemble those observed in PAH,
including perivascular inflammation, pulmonary vascular hyperresponsiveness
and pulmonary arterial remodeling. The bioactive sphingolipid
sphingosine-1-phosphate (S1P) acts through five G-protein coupled receptors,
S1P1-S1P5, as a vasoconstrictor and an important modulator of immune
signaling. In the lung, S1P is predominantly synthetized by sphingosine kinase
1 (SphK1). Methods: SphK1-deficient mice (SphK1-/-), S1P4-deficient mice
(S1P4-/-) and the corresponding wild-type mice (wt) were employed in acute and
chronic ovalbumin-evoked pulmonary inflammation. The effects of SphK1- and
S1P4-deficiency on inflammation, airway responsiveness, pulmonary vascular
responsiveness and pulmonary arterial remodeling were investigated. Results:
Acute inflammation was accompanied by airway and pulmonary vascular
hyperresponsiveness. Airway inflammation and hyperresponsiveness were reduced
in SphK1-/- mice, while being aggravated in S1P4-/- mice as compared to wt
mice. Pulmonary vascular hyperresponsiveness did not differ between strains.
After chronic Th2 inflammation, SphK1-/- mice showed an increased vascular
hyperresponsiveness compared with wt mice accompanied by remodeling of the
small and intra-acinar arteries. A linear regression between functional and
morphometric vascular data could be shown. Conclusion: The SphK/S1P system may
play a protective role in the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension.
Moreover, this study provides further evidence for the relevance of the
SphK/S1P system in allergic airway disease and is the first demonstration of a
dissociation between airway and vascular pathology induced by Th2-type of
inflammation
