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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-536916
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.53691
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 6 Februar 2023 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Karl Kunzelmann und Prof. Dr. Michael Gray und Prof. Dr. Frank Schweda und Prof. Dr. Joachim Griesenbeck und Dr. PD Jan Medenbach |
| Tag der Prüfung: | 3 Februar 2023 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Physiologie > Prof. Dr. Karl Kunzelmann |
| Stichwörter / Keywords: | airways; TMEM16A; SLC26A9 |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 53691 |
Zusammenfassung (Englisch)
Human airways are permanently exposed to the external environment, which contains a myriad of noxious agents such as pathogens, sterile irritants, and allergens. The airway epithelium and its barrier properties constitute the first-line defence against these inhaled insults, preventing them from invading the airway mucosa and coordinating, when necessary, the recruitment of the immune system to ...
Zusammenfassung (Englisch)
Human airways are permanently exposed to the external environment, which contains a myriad of noxious agents such as pathogens, sterile irritants, and allergens. The airway epithelium and its barrier properties constitute the first-line defence against these inhaled insults, preventing them from invading the airway mucosa and coordinating, when necessary, the recruitment of the immune system to assist in airway clearance. Alterations or congenital abnormalities of the airway epithelial barrier can lead to chronic airway diseases and compromise respiratory homeostasis. Chronic respiratory diseases are leading causes of death worldwide, with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma accounting for nearly 3.7 million yearly passings. In parallel, cystic fibrosis (CF), caused by defective cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein expression and/or function in epithelia, is the leading cause of genetic disease-related death amongst Caucasians. CFTR is a Cl- and HCO3- channel expressed at the apical membrane of airway epithelial cells, involved in the regulation of airway surface liquid (ASL) hydration and pH. Despite presenting distinct underlying pathophysiological mechanisms, these diseases share common features such as excessive airway mucus production, airway remodelling, and bronchoconstriction, that contribute to the development of chronic airway inflammation. Current therapeutical strategies are disease- or patient-specific, and several patients remain untreated due to therapy unresponsiveness or acquired resistance. Alternative therapies under development for chronic inflammatory airway diseases approach the modulation of non-CFTR epithelial ion channels and transporters that are also involved in the regulation of airway homeostasis. Two other putative Cl- secretory proteins, transmembrane protein 16A (TMEM16A) and solute carrier family 26 member 9 (SLC26A9), are highly expressed in the airways and represent promising candidates for modulation.
TMEM16A is a Ca2+-activated Cl- channel that has in parallel been shown to be involved in the regulation of intracellular Ca2+ signals, relevant for airway mucus secretion, bronchoconstriction, and inflammatory mediator release. Its expression in the airway epithelium has been localized to the apical membranes of fluid-secretory ciliated cells but to a much larger extent mucus-producing goblet cells. Expression of TMEM16A is also evident in airway smooth muscle cells, involved in airway contraction. In this work, we evaluated the function of TMEM16A under pathological conditions in mouse airways and human airway models and concluded that TMEM16A plays a more relevant role in supporting airway mucus production and release, as well as bronchoconstriction, than Cl--induced fluid secretion. In agreement with this, inhibition of TMEM16A by niclosamide, an FDA/EMA-approved drug, ameliorates the pathologic phenotype by dampening airway mucus production and secretion, relaxing airways, and inhibiting the release of inflammatory mediators. This may support repurposing of niclosamide for the treatment of chronic airway inflammatory diseases. We assessed the direct administration of niclosamide to airways while encapsulated in slow-releasing micro- and nanoparticle formulations to circumvent potential systemic side effects of the drug as well as the need for repetitive applications. We propose this strategy to be further modified to target niclosamide specifically to mucus-secretory airway goblet cells. Our results suggest TMEM16A-inhibitors to be assessed in clinical trials.
SLC26A9 has been shown to work as an uncoupled Cl- transporter as well as a coupled Cl-/HCO3- exchanger. Its immunolocalization in the airway epithelium, however, was unresolved. We demonstrated apical expression in ciliated epithelial cells of human, mouse, and piglet airways, consistent with a role in luminal transport. Furthermore, we made use of the herein described, novel, highly potent and selective, SLC26A9-inhibitor, S9-A13, to further explore the function of SLC26A9 in airways. Our data suggest that ion transport by SLC26A9 depends on expression of CFTR. In the presence of CFTR, SLC26A9 does not mediate Cl- secretion and therefore may not contribute to basal or stimulated airway Cl- conductance. It rather operates as an exchanger, potentially recycling CFTR-secreted Cl- and exchanging it for HCO3- ions. Thereby, it is likely to contribute to the regulation of ASL pH. Stimulation of SLC26A9 in CF, and in COPD caused by acquired dysfunction of CFTR, may provide the luminal HCO3- efflux necessary for proper mucus expansion and thus formation of the airway epithelial barrier, as well as for innate antimicrobial immunity. On the other hand, in the absence of CFTR, SLC26A9 appears to operate as an uncoupled Cl- transporter. Pharmacological potentiation of SLC26A9 may then compensate for the lack of CFTR-mediated Cl- efflux and subsequent fluid secretion. However, in most people with CF, biosynthesis of both CFTR and SLC26A9 is compromised. Here, rescue and potentiation of both proteins should be the strategy of choice.
In summary, inhibiting TMEM16A and enhancing expression and function of SLC26A9 in chronically inflamed airways may support lung function and respiratory homeostasis.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die menschlichen Atemwege sind ständig einer Vielzahl von schädlichen Stoffen wie Krankheitserregern, sterilen Reizstoffen und Allergenen ausgesetzt. Das Epithel der Atemwege und seine Eigenschaft als mechanische Barriere bildet die erste Verteidigungslinie gegen diese inhalierten Schadstoffe. Sie verhindert, dass diese Schadstoffe in die Schleimhaut der Atemwege eindringen können. Zusätzlich ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die menschlichen Atemwege sind ständig einer Vielzahl von schädlichen Stoffen wie Krankheitserregern, sterilen Reizstoffen und Allergenen ausgesetzt. Das Epithel der Atemwege und seine Eigenschaft als mechanische Barriere bildet die erste Verteidigungslinie gegen diese inhalierten Schadstoffe. Sie verhindert, dass diese Schadstoffe in die Schleimhaut der Atemwege eindringen können. Zusätzlich wird das Immunsystem rekrutiert, um die Abwehr zu unterstützen. Veränderungen oder angeborene Anomalien der Barriere-Funktion können zu chronischen Atemwegserkrankungen führen und die Homöostase der Atemwege beeinträchtigen. Chronische Atemwegserkrankungen sind weltweit eine der Haupttodesursachen. Chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) und Asthma verursachen jährlich fast 3,7 Millionen Todesfälle. Daneben ist die Mukoviszidose (zystische Fibrose, CF), die durch eine fehlerhafte Expression oder Funktion des Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR)-Proteins in Epithelien verursacht wird, die Hauptursache für genetisch bedingte Todesfälle in der kaukasischen Bevölkerung. CFTR ist ein Ionenkanal für Cl- und HCO3- und wird an apikalen Membranen von Epithelzellen der Atemwege exprimiert. CFTR ist wesentlich an der Regulierung der Hydratation und des pH-Werts der Atemwegsoberflächenflüssigkeit (ASL) beteiligt. Obwohl diese Krankheiten unterschiedliche pathophysiologische Mechanismen unterliegen, haben sie Gemeinsamkeiten, die zur Entwicklung einer chronischen Atemwegsentzündung beitragen: übermäßige Schleimproduktion, Umbau der Atemwege und Bronchokonstriktion. Gegenwärtige therapeutische Strategien sind krankheits- oder patientenspezifisch, wobei aber viele Patienten aufgrund von Therapieversagen oder erworbener Resistenzen nicht therapiert werden können. Alternative Therapien für diese Patienten, die derzeit entwickelt werden, zielen auf epitheliale Nicht-CFTR-Ionenkanälen und Transportern ab, die auch an der Regulierung der Homöostase der Atemwege beteiligt sind. Zwei mutmaßliche Cl- sekretorische Proteine, das Transmembrane Protein 16A (TMEM16A) und der Transporter Solute Carrier Family 26 member 9 (SLC26A9), werden in den Atemwegen stark exprimiert und stellen vielversprechende Kandidaten für pharmakologische Angriffspunkte dar.
TMEM16A ist ein Ca2+-aktivierter Cl- Kanal, der auch zusätzlich intrazelluläre Ca2+-Signale moduliert. TMEM16A ist für die Schleimsekretion, die Bronchokonstriktion und die Freisetzung von Entzündungsmediatoren in den Atemwegen relevant. TMEM16A wird in apikalen Membranen von sekretorischen Flimmerepithelzellen exprimiert, aber in einem viel größeren Ausmaß auch in den schleimproduzierenden Becherzellen. Die Expression von TMEM16A in Becherzellen ist bei Atemwegsentzündungen deutlich erhöht. Hier unterliegen Becherzellen einer akuten Proliferation und/oder Transdifferenzierung. Die Expression von TMEM16A ist auch in glatten Atemwegsmuskelzellen, die an der Atemwegskontraktion während entzündlicher Atemwegserkrankungen beteiligt sind, nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde die Funktion von TMEM16A unter pathologischen Bedingungen in den Atemwegen der Maus und in humanen Atemwegsmodellen untersucht. Aus den erhobenen Daten lässt sich schließen, dass TMEM16A eine wichtige Rolle bei der Unterstützung der Produktion und Freisetzung von Atemwegsschleim und der Bronchokonstriktion hat, aber weniger für die Cl- induzierten Flüssigkeitssekretion zuständig ist. In Übereinstimmung mit diesen Daten verbessert die Hemmung von TMEM16A durch Niclosamid, ein von der FDA/EMA zugelassenes Medikament, den pathologischen Phänotyp, indem es die Schleimproduktion und -sekretion der Atemwege dämpft, die Atemwege entspannt und die Freisetzung von Entzündungsmediatoren hemmt. Niclosamid könnte deswegen als Medikament für die Behandlung chronisch entzündlicher Atemwegserkrankungen eingesetzt werden. Wir untersuchten weiterhin die Effekte von Niclosamid welches in Mikro- und Nanopartikeln mit langsamer Freisetzung eingekapselt war. Eine solche Formulierung reduziert die Gefahr potenzieller systemischer Nebenwirkungen. Diese Strategie sollte weiter untersucht und verbessert werden, um die Wirkung von Niclosamid auf schleimsekretorischen Zellen zu erhöhen. Diese vielversprechenden sollten in klinischen Studien validiert werden.
SLC26A9 arbeitet als Cl--Transporter und als gekoppelter Cl-/HCO3--Austauscher. Seine Immunlokalisierung im Epithel der Atemwege war bislang unklar. Wir konnten SLC26A9 in den Atemwegen von Menschen, Maus und Schweinen eindeutig in der apikalen Membran von Flimmerepithelzellen nachweisen. Diese Lokalisation deutet auf eine apikale Transportfunktion von SLC26A9 hin. Mit Hilfe des neuen, hochwirksamen und selektiven SLC26A9-Inhibitor S9-A13 konnte die Funktion von SLC26A9 in den Atemwegen genauer untersuchen werden. Die erhobenen Daten deuten darauf hin, dass die Funktionsweise von SLC26A9 von der CFTR-Expression abhängig ist. In Anwesenheit von CFTR vermittelt SLC26A9 keine Cl--Sekretion und kann daher auch nicht zur basalen oder stimulierten Cl--Sekretion in den Atemwegen beitragen. Vielmehr fungiert SLC26A9 als Cl-/HCO3--Austauscher, der die über CFTR sezernierten Cl- Ionen recycelt und gegen HCO3- austauscht und somit zur Regulierung des pH-Werts der ASL beiträgt. Möglicherweise könnte die eingeschränkte CFTR Funktion bei Mukoviszidose durch die Stimulierung von SLC26A9 kompensiert werden. Aktivierung von SLC29A9 könnte den HCO3--Efflux aufrechterhalten, der für die Schleimbildung und Schutzfunktion des Atemwegsepithels notwendig ist. In Abwesenheit von CFTR funktioniert SLC26A9 als entkoppelter Cl--Transporter. Deswegen könnte die Aktivierung von SLC26A9 das völlige Fehlen der CFTR-vermittelten Flüssigkeitssekretion, bei einigen Fällen von Mukoviszidose, kompensieren. In den häufigsten Fällen von Mukoviszidose ist jedoch die gemeinsame Insertion von CFTR und SLC26A9 in die Plasmamembran beeinträchtigt. Angesichts der gekoppelten Biogenese beider Proteine sollte hier eine Kombination einer SLC26A9-Potenzierungstherapie mit Medikamenten, die die Protein-Protein-Interaktionen bei intrazellulärer Retention beeinflussen, die Strategie der Wahl sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hemmung von TMEM16A und die Verstärkung der SLC26A9-Expression und/oder -Funktion in chronisch entzündeten Atemwegen zur Wiederherstellung der Lungenfunktion und der Homöostase der Atemwege beitragen kann.
Metadaten zuletzt geändert: 06 Feb 2023 14:39
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