Endothelin receptor changes during inflammation in the lung.

Abstract

Endothelin-1 (ET-1) is an extremely potent smooth muscle spasmogen well known from the vascular system but also active within the airways. The importance of its proinflammatory and co-mitogenic properties has become increasingly evident, the endothelin system also having been shown to mimic the signal features of asthma, COPD and other pulmonary diseases. The present thesis concerns the role of the endothelin receptors:



1. Bronchial biopsies from patients with lung diseases that included a major inflammatory component (asthma bronchiale or COPD) showed a significantly lower ETA / ETB ratio than in the case of lung diseases with non-inflammatory states. This points to an up-regulation of the ETB receptors in the human bronchi during inflammatory processes in the lungs.



2. Functional studies of the mixed population of endothelin receptors found in the respiratory system and the vasculature were made simultaneously in isolated, perfused and ventilated lung preparations from rats. The potent contractile effect of ET-1 on the vascular side of the rat lung is mediated mainly by ETA receptors, whereas both ETA and ETB receptors are involved in conductance (Gaw) in the lung. Although there are distinct differences between the airways and the vasculature, activity in the one system influences activity in the other. The importance of how drugs and antagonists are administrated could be demonstrated.



3. At early stage of eosinophilic inflammation in airways in the rat lung induced by Sephadex, ET-1 and sarafotoxin 6c resulted in an increase in the maximum contractile effect and an increase (3.9 fold) in ETB receptor mRNA in the bronchial but not in the tracheal smooth muscle cells. This, together with a rise in ET-1 levels that was observed in BALF during inflammatory processes in the lung, can contribute synergistically in the long run to an acute hyper-reactivity and to remodeling processes.



4. Early changes in endothelin receptor expression in rat lung dye to smoking were studied. Nicotine had no effect per se but cigarette smoke particles increased the maximum contractility mediated by both ETA and ETB receptors. The ETA and ETB mRNA levels were unchanged, but a clear rise in ETA and ETB receptor protein in the bronchial smooth muscle cell layer could be observed. This supports the view that the increased contractility caused by cigarette smoke particles is due to a translational mechanism.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Svensk sammanfattning (Swedish Summary)



Inflammatoriska sjukdomar i luftvägarna tillhör ett av de vanligaste skälen till ohälsa. Astma, både allergisk och icke allergisk, kan debutera redan under de första levnadsåren och kan på lång sikt ge kroniskt nedsatt lungfunktion. Bland medelålder's och äldre personer är kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) vanligast, oftast ett resultat av rökning. Både de faktorer som ger akuta besvär och de som åstadkommer gradvi's förändring och försämring av lungfunktionen är ofullständigt kända.



I lungorna ligger blodkärl och luftvägar mycket nära varandra för att slutligen enbart skilja's åt av enstaka cellager i alveolerna, där gasutbyte sker. Luftrören har en vis's likhet med blodkärl i sin uppbyggnad. Insidan är klädd av ett lager celler som kalla's epitel, vilket har direkt kontakt med luften. I kärlen motsvara's det av endotel som har kontakt med förbiströmmande blod. Detta cellager bildar en barriär, ett skydd för omgivande vävnad men har också en viktig roll genom utsöndring signalsubstanser som styr cellerna i omgivande vävnad. Närmast bildar glatta muskelceller ett rör som kan reglera vidden och därmed motståndet, men där finn's också inflammatoriska celler som, förutom akut svullnad och slembildning, kan stimulera muskellager och stödjevävnad att tillväxa. Förutom att signalsubstanserna kan ge ökad kraft vid sammandragning kan även känsligheten för olika retningar öka. I luftvägarna skapa's en situation med försvårad luftpassage och ojämnt fördelad ventilation av olika delar av lungan vilket ger dåligt gasutbyte. Detta utgör det stora problemet vid folksjukdomarna astma och KOL. Motsvarande sjukdomsprocesser i blodkärl leder till förhöjt blodtryck, förträngningar och dålig genomblödning. Behandling för att motverka sjukdomar i luftvägarna har varit mycket framgångsrik de senaste decennierna men fortfarande kvarstår sjukdomsprocesser som inte låter sig påverka's av dagen's läkemedel. Syftet med denna forskning har varit att kartlägga nya mekanismer som är del i både akut och kronisk lungsjukdom och att skapa underlag för nya behandlingsstrategier.



1985 upptäckte's en ny substan's som bildade's i kärlväggarna (endotelet), som kunde ge extremt kraftiga sammandragningar av glatta muskler. Under följande år fick substansen namnet endotelin och det framkom att den även bilda's i luftvägarna, främst av epitelceller. Endotelin finn's normalt i låg koncentration i blodet och när blodet passerar genom lungorna bind's det och eliminera's. Endotelin i blodet får snarast se's som resultat av ett läckage då utsöndringen från endotel eller epitel sker riktat bort från lumen mot glatta muskelceller eller annan vävnad. På dessa finn's receptorer som kan binda endotelin och därmed främst utlösa en sammandragande effekt på bronkerna, men även en motverkande, vidgande effekt. Däggdjur inklusive människa har två typer av receptorer, ETA och ETB. Normalt har friska blodkärl ho's människa enbart ETA receptorer men på glatta muskelceller i bronkerna dominerar ETB receptorer. Uppsättningen av receptorer i luftvägarna kan variera betydligt beroende på djurslag. Får har nästan uteslutande ETA receptorer i luftstrupen's muskellager men råttor, som jag främst studerat, har ungefär lika stor del av ETA och ETB receptorer i luftvägarna. Proportionerna mellan de olika receptorerna varierar även beroende på vilken nivå som studera's. När astmatiska sjukdomar diskutera's anse's förändringar i de små perifera luftvägarna vara mest betydelsefulla för lungfunktionen.



Min forskning angående luftvägar inspirerade's främst av upptäckterna i mitten av 90-talet. När friska kärl utsatte's för inflammatoriska stimuli av olika slag skedde en markant förändring i endotelinsystemet. Produktionen av endotelin ökade. Den maximala sammandragande kraften i kärlen utlöst av endotelin ökade, benägenheten att dra sig samman ökade och glatta muskelceller i blodkärl, som normalt enbart hade ETA receptorer, fick även ETB receptorer som bidrog till sammandragningarna. Min fråga var om liknande förändringar av receptorer i bronkträdet kunde vara del i de besvär som inflammatoriska lungsjukdomar ger. Detta gav upphov till följande arbeten och resultat:



1. Vävnadsprov tagna i bronker från två patientgrupper med lungsjukdomar jämförde's. I den första gruppen fann's litet inslag av inflammation (exempelvi's lungcancer) och i den andra gruppen dominerade inflammation (astma, KOL). PCR-teknik visade att balansen i mRNA (mallar för att bilda olika proteiner i cellen) hade förändrat's avseende ETA och ETB receptorer. Detta talar för att förhållandet mellan de olika receptorerna på muskelcellerna's utsida förändrat's och därmed reaktionen på endotelin, som utsöndra's av epitelet.



2. Isolerade lungor från råtta ventilerade's samtidigt som lungan's kärl försörjde's med ett flöde av näringslösning. I detta system kunde vi tillsätta endotelin och substanser som antingen stimulerade eller blockerade ETB receptorerna selektivt, samtidigt som vi mätte på vilket sätt motstånd i luftvägar eller lungcirkulationen förändrade's. Vi fann en mycket kraftigt sammandragande effekt av endotelin förmedlat av enbart ETA receptorer i lungkärlen, men i luftvägarna förmedlade's sammandragningar av både ETA och ETB receptorer. För att förhindra spasm i luftvägarna utlöst av endotelin kräve's en substan's som blockerar båda receptortyperna. Vidare fann vi intressanta samspel mellan genomblödningen av lungan och påverkan på ventilationen.



3. Eventuella förändringar av endotelin effekter på luftrör och bronker ho's råttor med inflammation i lungor av allergisk typ studerade's. Sephadex sprayade's i luftvägarna ho's råttor vilket ger en allergisk inflammation i luftrören. Effekten på endothelinsystemet av denna inflammation undersökte's efter 24 timmar. I glatta muskelceller i bronkerna fann's klara tecken på ökad produktion av ETB receptorer men ingen förändring skedde i luftstrupen's receptoruppsättning (PCR-teknik). När bronkerna stimulerade's av endotelin ökade av den maximala kraften som förmedla's av ETB receptorer. Slutsatsen blir att en förändring tyck's ske under akut fa's av allergisk inflammation. Sedan tidigare är det känt att endotelin utsöndra's i ökad mängd i bronker i samband med akut astma och annat som skapar inflammation i luftvägarna. Kombinationen av förhöjd produktion av endotelin och ökad mängd ETB receptorer leder till en summationseffekt avseende kontraktionsbenägenheten.



4. Rökning leder förr eller senare till allvarliga lungskador; bronkit, astma, KOL och cancer. Grunden till detta är den inflammatoriska reaktion som startar i lungan. Många försök har visat att rökning eller andra inflammatoriska tillstånd leder till ökad produktion av endotelin i luftvägarna. Vi ville titta på receptorerna's roll. Rökpartiklar från cigaretter (DSP) fångade's upp i filter och tvättade's ur i lösning. Bronksegment från råttor med diameter på cirka 0,5 mm odlade's under 1 dygn med denna lösning med rökpartiklar eller nikotinlösning och jämförde's med en kontrollgrupp. Vi fann att DSP ledde till en ökad sammandragande förmåga och att den förmedlade's både av både av ETA och av ETB receptorer. PCR teknik kunde inte påvisa ökad produktion av receptor mRNA (mallar till receptorer). Immunhistokemi som specifikt visar typen och mängden av receptorer kunde påvisa en klar ökning av båda receptortyperna i muskellagret på bronkerna. Varken odling i sig eller ren nikotinlösning gav någon förändring enligt ovan. Vår tolkning är att endotelin's ökade effekt på bronker som utsatt's för cigarettrök under kort tid beror på ökad translation (tillverkning av receptorer från mRNA) av både ETA och ETB receptorer. Även här kan effekten förstärka's av att endotelinutsöndringen också ökar på grund av inflammationen.



Den ökade aktiviteten i endotelinsystemet i samband inflammatoriska tillstånd av olika slag har vi sett på flera nivåer. Den ger upphov till ökad sammandragning i glatta muskelcellerna, svullnad och slembildning vilket ger förträngning i luftvägarna, dv's. vad vi kallar astmatiska besvär. I ett längre perspektiv kan förmodligen denna förhöjda aktivitet vara ännu mer betydelsefull. Endotelinsystemet kan förstärka den inflammatoriska effekten som på sikt innefattar tillväxt av muskellager, stödjevävnad och slemproducerande celler vilket ger gradvi's sjunkande lungfunktion och kroniska lungförändringar. Idag finn's några läkemedel som blockerar skadliga effekter av endotelin i samband med sjukdomar i lungan's kärlsystem och fler är under utprovning. Frågan är huruvida liknande behandling skulle kunna hejda inflammatoriska processer i luftvägarna. Förhoppningen är att nya studier kommer till stånd för att utvärdera effekten på lungsjuka patienter som inte svarar tillfredställande på dagen's behandling.

• author: Granström, Bengt
• supervisor: Lars Edvinsson
• opponent: Professor Aalkjær, Christian, Department of Physiology, University of Aarhus, Denmark
• organization: Paediatrics (Lund)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Pediatrics
• keywords: Andningsorganen, Respiratory system, Upregulation, Smooth muscle cells, Smoking, Sephadex, Remodeling, Rat, mRNA, Human, ETB receptor, ETA receptor, Lung, Endothelin, Asthma bronchiale, Contraction
• pages: 85 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neuroscience Center, Lund University, Sweden
• defense date: 2006-03-24 13:00:00
• ISBN: I91-85481-54-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Sebastian Möller, Rolf Uddman, Bengt Granström and Lars Edvinsson. 1999. Altered ratio of endothelin ET (A) - and ET (B) receptor mRNA in bronchial biopsies from patients with asthma and chronic airway obstruction. European Journal of Pharmacology, vol 365 pp R1-R3.; B Granström, E Nilsson, U Hultkvist-Bengtsson and L Edvinsson. 2004. Analysis of ET-A and ET-B receptors using an isolated perfused rat lung preparation Acta Physiol Scand, vol 181 pp 259-264.; Bengt W. Granström, Cang-Bao Xu, Elisabet Nilsson, Ursula Hultkvist Bengtsson and Lars Edvinsson. 2004. Up-Regulation of Endothelin Receptor Function and mRNA Expression in Airway SmoothMuscle Cells Following Sephadex-Induced Airway Inflammation Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology, vol 95 pp 43-48.; Bengt W Granström, Cang-Bao Xu, Elisabeth Nilsson, Petter Vikman and Lars Edvinsson. . Smoking particles enhance endothelin A and endothelin B receptor-mediated contractions by enhancing translation in rat bronchi. (manuscript)
• id: 233a3fb7-7672-4e35-b4bc-709a911264ae (old id 546293)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:28:41
• date last changed: 2018-11-21 20:41:43