Pathophysiologie der Lungenerkrankung bei CF

Aktuelle Hypothesen zur
Pathophysiologie der CFLungenerkrankung
Manfred Ballmann
MHH- Kinderklinik
Pathophysiologie der CF
Lungenerkrankung
• Lungenerkrankung ist der lebenslimitier-ende
Faktor in > 90% der Patienten
• Besonders die chronische PSA-Infektion ist
klinisch relevant
• Studien, die hier wesentliche neue Beiträge zum
Verständnis geliefert haben
• Neue tierexperimentelle Arbeiten, die allgemein
den Zugang zum Verständnis der CF
Lungenerkrankungerweitern können
Vorstellung zur Pathogenese der CF Lungenerkrankung
(Blau: Mukusschicht; gelbe Blöcke: Atemwegsepithel) Sauerstoffgradient:
rot=kein blau=stark)
A) In normalem Atemwegsepithel liegt eine dünne Mucusschicht auf der PCL.
Die niedrige Viskosität erlaubt eine effiziente mukocilare Clearence. Die
normale Rate an O2-Verbrauch im Epithel verursacht keinen Gradienten
innerhalb der ASL
B) Massive Volumenminderung vermindert die PCL. Dies bewirkt eine Mucusadhärens an die epitheliale Oberfläche. Die mucociliare Clearence wird verlangsamt bzw. stoppt. In dieser Phase generiert der gesteigerte
Sauerstoffverbrauch noch keinen O2-Gradienten in dem dünnen Film des
ASL
Ratjen F and Doering G Lancet. 2003 Feb 22;361(9358):681-9
Permanente Hypersekretion von Mukus führt
mit der Zeit zur Höhenzunahme der Mukusschicht.
Zusätzlich kommt es nun bei gesteigertem
O2-Verbrauch zur Bildung eines starken O2Gradienten in der dicken Mukusmasse
PSA von der Mukusoberfläche penetrieren
nun u.a. erleichtert durch Mukusturbulenzen in
den hypoxischen Bereich des Mukus.
Ratjen F and Doering G Lancet. 2003 Feb 22;361(9358):681-9
PSA adaptieren sich an die hypoxische Situation indem sie vermehrt Alginat bilden und
Makrokolonien bilden
Makrokolonien widerstehen den Abwehrmechanismen einschließlich Neutrophilen.
Das Stadium kennzeichnet die Chronizität
der PSA-Infektion. Zunehmende Dichte an
Makrokolonien und in geringerem Grad auch
die Neutrophilen steigern die hypoxische
Situation
Ratjen F and Doering G Lancet. 2003 Feb 22;361(9358):681-9
PSA unter anaeroben Bedingungen
Wachstum von zwei verschiedenen PSA-Stämmen über 72 Stunden unter
verschiedenen O2-Konzentrationen in ASl (airway surface liquide) von NL
(normal) oder CF
PSA unter anaeroben Bedingungen
b) Immunfluoreszenzdarstellung der Alginatproduktion unter links 8 Stunden
aerob und rechts 12 Stunden anaeroben Bedingungen
r
c) Alginatproduktion (quantitativ)
PSA unter anaeroben Bedingungen
Abfall des PO2 (schwarze
Quadrate) über die Zeit bei
Anstieg der PSA-Kolonien
(offene Dreiecke) unter
aeroben Wachstumsbedingungen
PSA – Mucustiefe und PO2
Tiefe des Mucus bei der der PO2 null wird
in Abhängigkeit von der Konzentration an PSA
PO2 in vivo in Atemwegen von
Patienten mit CF
Messung des PO2 in vivo zunächst
im Lumen. Der Pfeil kennzeichnet das
Eindringen in einen Mucusplaque
PSA in Atemwegen
wo sind sie?
PSA sind im intraluminalen Bereich
von frischen Atemwegsmaterial
(Dünnschnitt eines obstruierten
Bronchus) von CF- Patienten lokalisiert und binden an Mucus (weiße
Pfeile). Beachtenswert ist das Fehlen
von PSA an der Epitheloberfläche
(schwarzer Pfeil)
PSA in Atemwegen
wo sind sie?
Anteil der Bakterien in unterschiedlichem Abstand zur Epitheloberfläche in Lungen von
CF- Patienten
Tiermodelle ENaC Maus
• Maus mit Manipulation am ENaC
- Überexpression führt zur
gesteigerten Natrium-Aufnahme
- verminderten Volumen der PLC
- verminderter mukoziliaren
Clearence
- CF- ähnliches Lungenkrankheitsbild
- Problem: Kein CFTR- Defekt
NATURE MEDICINE
ADVANCE ONLINE PUBLICATION
Elektronenmikroskopie eines Bronchusabschnittes
NATURE MEDICINE
ADVANCE ONLINE PUBLICATION
Tiermodell
CFTR knockout Maus
• Hier scheint erstmalig ein Tiermodell zur
Verfügung zu stehen, das alle CFtypischen Organschäden aufweist
• Die Schäden sollten direkt CFTR abhängig
sein
Bronchiolie
Alveole
Alveole
Intestinale Verdickung in den Alveolen
Leberverfettung
Vas deferens mit 3 Monaten
Cystic fibrosis mice rehabilitated for studies of airway gland
dysfunction
Hugo R. de Jonge
Department of Biochemistry, Erasmus University Medical Center
Rotterdam, The Netherlands
Mucus secretion by single tracheal submucosal glands from normal and CFTR
knock-out mice
Juan P. Ianowski, Jae Young Choi, Jeffrey J. Wine and John W. Hanrahan
J. Physiol. published online Jan 4, 2007;
CF- Maus und Lungenbeteiligung
• Nicht die Produktion oder Zusammensetzung des Mucus sondern seine Verdünnung durch Flüssigkeit aus serösen
Drüsen ist in humanem Gewebe defekt
• Dies konnte u.a. durch Messung der
Viskosität mit Photobleaching in Mucustropfen, die mit Fluoreszenzindikatoren
injiziert wurden gezeigt werden.
(Jayaraman et al. 2001).
Mausmodell der CF- Trachea ?
• Humane Trachea (normal):
In submuköse Drüsen Flüssigkeitssekretion
durch Ca2+-abhängige Agonisten (Carbachol)
und cAMP Agonisten (VIP, Forskolin)
• Humane Trachea (CF)
- Ca2+-abhängige Agonisten (Carbachol)
Flüssigkeitssekretion erhalten
- cAMP Agonisten (VIP, Forskolin) ohne Wirkung
Mausmodell der CF- Trachea ?
• Warum schien die Maustrachea kein gutes
Modell der humanen Situation
- CFTR -/- Mäuse sind Lungen gesund
- Verhältnis Clara-Zellen zu Zilien tragenden Zellen unterschiedlich
- fehlende Na-Hyperabsorption
- beinahe normale Reaktion auf Ca2+
Ionophore und Forskolin/cAMP,
- Dogma, dass Mäuse in der Trachea keine
Atemwegsdrüsen haben (Boucher)
Mausmodell Trachea
was ist neu ?
• Es gibt muköse Drüsen in der
Maustrachea bei CF-/- und Wildtyp
• Flüssigkeitssekretion kann stimuliert
werden durch cholinerge und zentrale
Stimuli und ist damit CFTR unabhängig
• Die Reaktion auf VIP/Froskolin fehlt
komplett beim den CF-Mäusen
Mausmodell Trachea
was ist neu ?
Mucustropfen, entstanden unter
Paraffinöl in isolierter Maustrachea
nach Stimulation mit Carbachol
Mausmodell Trachea
was ist neu ?
• Es gibt muköse Drüsen in der
Maustrachea bei CF-/- und Wildtyp
• Flüssigkeitssekretion kann stimuliert
werden durch cholinerge und zentrale
Stimuli und ist damit CFTR unabhängig
• Die Reaktion auf VIP/Froskolin fehlt
komplett beim den CF-Mäusen
Mean concentration depence of carbachol stimulation in WT and CFTR -/-glands
Data from WT (○) and CFTR-/- (●) submucosal glands were fitted with a three
parameterlogistic curve using non-linear regression (n ≥ 6 glands for each point).
The concentration giving half-maximal stimulation (EC50) was 1.7 μM for WT mice and 1.8
μM for CFTR-/-. Maximum secretion rates (Vmax) were also similar;
1.66±0.25 nl min-1 (n=36) and 1.58±0.16 nl min-1 (n=55) for CFTR-/- and WT glands,
respectively.
Mausmodell Trachea
was ist neu ?
• Es gibt muköse Drüsen in der
Maustrachea bei CF-/- und Wildtyp
• Flüssigkeitssekretion kann stimuliert
werden durch cholinerge und zentrale
Stimuli und ist damit CFTR unabhängig
• Die Reaktion auf VIP/Froskolin fehlt
komplett beim den CF- Mäusen
Effect of forskolin (10-5 mol l-1)
on submucosal gland secretion
A, wild-type (n=6 glands from 7
tracheas) or B, CFTR-/- mice (n=7
glands from 3 tracheas). Carbachol
(1 μM) was added to the CFTR
knock out glands as a positive
control for viability. The insets
show the secretion rates.
Mausmodell Trachea
was ist neu ?
• Diese Eigenschaften reproduzieren qualitativ die
Situation in der humanen Trachea.
• Es scheinen zwei unterschiedliche Sekretionsmodi zu
existieren.
• A) CFTR abhängige Sekretion mit niedriger Kapazität
stimulierbar durch lokale Reize (Viren, Partikel Keime)
B) CFTR unabhängige Sekretion mit hoher Kapazität
angetrieben durch starke vagale Stimulation (z.B.
körperliche Anstrengung, Husten und hypertones
Kochsalz)
• Alles Therapieansätze, die z.Z. auch genutzt werden
Zusammenfassung
• Neue Ansätze bereiten den Boden auch für mögliche
neue Behandlungen
• Tiermodelle (Grundlagen nahe Forschung)
ermöglichen weitere Einblicke in den
Pathomechanismus der CF- Lungenerkrankung
• Was passiert, wenn PSA (chronische Infektion) erfolgreich therapiert werden kann
• -- kommen andere Erreger ins Blickfeld
• -- ist die Prognose der CF umzuschreiben