Distribution and Effects of NO and CO in the Human Upper Respiratory Tract

Abstract

Mucosal inflammation and airway hyperreactivity are regulated by hundreds of different mediators. The recent discovery of gaseous mediators, produced and active within the airways, opens new possibilities for identification of therapeutic targets and ways to monitor airway inflammation. This thesis is focused on two such mediators, nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO) along with their role in the human upper airways.



NO is a marker and mediator of airway inflammation and has antimicrobial properties. The presented results confirm previous findings of high levels of NO in the paranasal sinuses and support the idea of a special role for the sinuses in airway NO production. They also emphasize the role of the sinuses as reservoirs enabling NO to reach extremely high levels. How NO production in the sinus is regulated is not known, but in a series of pressure chamber experiments it could be demonstrated that a decrease of intrasinusal pressure, such as seen during upper airway allergy or infection (URTI), results in an increase in NO levels within the nasal airways. An enhancement of the nasal airway resistance was seen in parallel, presumably reflecting a vasodilation in the nose. Presented data makes it interesting to speculate in a direct role for the ostium in the regulation of intrasinusal NO production.



A mediator function for CO has been considered in many of the conditions where NO has been proven to be of importance, even though the definite role of CO is still under debate. By the use of immunohistochemistry, enzymes (HO-1, HO-2) responsible for CO production could be demonstrated in middle ear mucosa, along with an enzyme (eNOS) known to induce NO production. This indicates local production of both gases in the middle ear, giving rise to speculations of a role for NO, and perhaps CO as well, in the host defence against invading microorganisms. The findings of CO producing enzymes in the nasal mucosa were prerequisites for a local CO production. Support for an actual production of CO was derived mainly from measurements of CO in the nasal and sinus cavity along with the findings that nose breathing increased the amount of CO found in exhaled air. Increased nasal CO levels could be derived from patients with allergic rhinitis and URTI, indicating a role for CO also as a marker of airway inflammation.



In order to evaluate a possible functional role for CO a series of <i>in vitro</i> experiments were performed with hemin, a HO substrate analog, focusing on neutrophil cell activation and recruitment. Hemin induced a reduction of the surface expression of CD11b and CD66b as examined by flow cytometry, reflecting a down-regulation in neutrophil activity. A similar down-regulation was seen during the pollen season on neutrophils from patients with allergic rhinitis. Furthermore, hemin induced a biphasic effect on neutrophil chemotaxis and random migration. Low levels of hemin increased the migratory response and high levels worked in an inhibitory fashion. Altogether, the CO investigations indicate that CO, endogenously produced within the nasal airways, can function both as a marker of airway inflammation and as a mediator of the inflammatory cellular response.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Astma och hösnuva (allergisk rinit) är två närbesläktade sjukdomar som båda har sin grund i en långdragen, kronisk inflammation i luftvägsslemhinnan. Vid både astma och hösnuva har slemhinnan en benägenhet att reagera kraftigare än normalt på retningar (s.k. hyperreaktivitet). Inflammationen och hyperreaktiviteten regleras av hundratals olika signalsubstanser (mediatorer). Dessa har traditionellt ansetts vara små vatten- eller fettlösliga ämnen, som proteiner eller sockermolekyler vilka produceras i kroppen. Man har nyligen upptäckt att även gaser kan produceras i kroppen och fungera som signalsubstanser. Den första gasen man upptäckte kunde fungera som mediator var kvävemonoxid (NO). Fortsatta studier ledde fram till att man började försöka utröna om även kolmonoxid (CO) kunde ha mediatorliknande effekter. CO hade dittills endast ansetts vara en luftförorenande gas med potentiellt giftiga effekter. Man kunde visa att CO, precis som NO, produceras i många vävnader i kroppen och är av betydelse vid så skilda händelseförlopp som signalering mellan celler i hjärnan och vid vidgning av blodkärl. Det har diskuterats mycket om CO kan ha en funktion som signalsubstans i många av de tillstånd där NO har visats vara av betydelse. Det har t.ex. visats att både NO och CO återfinns i ökade mängder i luftvägarna hos personer med astma och hösnuva. Denna avhandling fokuserar på produktionen av de två mediatorerna NO och CO i övre luftvägarna hos människa samt dessa mediatorers roll vid inflammation.



NO är en väletablerad markör för och mediator vid inflammation i luftvägarna och kan även skydda kroppen mot invaderande mikroorganismer, t.ex. bakterier och virus. NO produceras i slemhinnan i luftvägarna och man har funnit höga NO-halter i bihålorna. De i denna avhandling presenterade resultaten bekräftar tidigare fynd av höga NO-halter i bihålorna och stöder teorin om en speciell roll för bihålorna i luftvägarnas produktion av NO. Utöver detta understryker de bihålornas roll som reservoarer, vilket möjliggör att extremt höga halter av NO kan ansamlas där. Hur NO-produktion i bihålorna regleras är föga känt, men i en serie tryckkammarförsök kunde det visas att en minskning av trycket i bihålorna, vilket liknar den situation som uppstår vid övre luftvägsallergi eller -infektion, resulterade i en ökning av NO-halterna i näsan. Parallellt med detta såg man en ökning av andningsmotståndet i näsan, troligtvis på grund av en vidgning av näsans blodkärl som effekt av de ökade NO-halterna. Baserat på här presenterade data är det intressant att spekulera i en direkt roll för själva öppningen in till bihålorna i regleringen av NO-produktionen i bihålorna.



Genom att använda immunhistokemi, en teknik där man med hjälp av antikroppar kan ”färga in” t.ex. olika proteiner eller andra strukturer i vävnader, kunde förekomsten av enzymerna HO-1 och HO-2, som står för huvuddelen av kroppens enzymatiska produktion av CO, påvisas i slemhinna från mellanörat tillsammans med ett enzym (eNOS) som producerar NO. Detta pekar på en möjlighet för lokal produktion av båda dessa gaser i mellanörat, vilket skulle kunna tyda på en roll för NO och kanske även för CO i försvaret mot invaderande mikroorganismer. Fynden av CO-producerande enzymer i näsans slemhinna är nödvändiga förutsättningar för att en lokal CO-produktion skall kunna äga rum. Stöd för att en produktion av CO faktiskt äger rum kom framför allt från CO-mätningar i bihålan och i näsan tillsammans med upptäckten att näsandning ökade CO-halten i utandningsluften. Ytterligare bevis för en CO-produktion i näsan kom från mätningar av CO i näsan hos patienter med s.k. tracheostomi. Dessa patienter har inte någon förbindelse mellan de övre och de nedre luftvägarna utan andas direkt genom ett hål i luftstrupen. Utöver detta visades att CO-nivåerna ökar i näsan hos patienter med hösnuva och övre luftvägsinfektioner, vilket tyder på en roll för CO även som markör av luftvägsinflammation.



För att kunna utröna en eventuell funktionell roll för CO utfördes en serie provrörsexperiment (<i>in vitro</i>-experiment) med hemin, ett ämne som kan användas av enzymet HO för att producera CO. Dessa experiment fokuserade på cellaktivering och rekrytering av neutrofiler, en typ av vita blodkroppar. När man utsatte neutrofilerna för hemin ledde detta till en minskning av deras aktiveringsgrad. Detta tog sig uttryck i en nedreglering, mätt med flödescytometri, av två markörer för cellaktivering (CD11b och CD66b) på ytan av neutrofilerna. En liknande nedreglering sågs under pollensäsongen hos neutrofiler från patienter med hösnuva, när man jämförde dem med friska kontroller.



Utöver detta hade hemin en bifasisk effekt på cellernas förmåga till förflyttning (migration). Låga koncentrationer av hemin ökade migrationsförmågan medan höga koncentrationer minskade den. Detta tyder på att CO, producerat i näsan, kan fungera både som en markör för luftvägsinflammation och som en mediator i det cellulära inflammationsförsvaret.

• author: Andersson, Jens
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Stjärne, Pär
• organization: Clinical Sciences, Helsingborg
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Otorhinolaryngology
• keywords: mykologi, virologi, bakteriologi, Mikrobiologi, mycology, transplantation, Microbiology, bacteriology, virology, serologi, Immunologi, serology, Otorhinolaryngology, audiology, auditive system and speech, Otorinolaryngologi, audiologi, hörsel- och talorganen, Immunology, sinus, upper respiratory tract infection, nose, nitric oxide, neutrophil migration, middle ear, hemin, flow cytometry, allergy, carbon monoxide
• pages: 140 pages
• defense location: Lilla Aulan, MFC (ing 59), UMAS Malmö
• defense date: 2002-06-15 10:15:00
• external identifiers: other:LUMEDW/MERM--1027-SE
• ISBN: 91-628-5249-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c75f7807-da80-4eea-9d7d-051510cb471b (old id 464675)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:14:05
• date last changed: 2018-11-21 21:03:32