PACAP and airway regulation with special reference to smooth muscle and neutrophils

Abstract

The investigations focus on the neuropeptidepituitary adenylate cyclase-activating peptide and its effects on airway regulation, with emphasis on smooth muscle relaxation and neutrophil activation and migration. In the nasal mucosa, PACAP-containing nerve fibers were localized invascular smooth muscle and close to seromucous glands. In the lung, PACAP-containing nerve fibers were found close to seromucous glands and in smooth muscle layers of bronchi, as well as in the wall of pulmonary arteries. PACAP caused a concentration-dependent relaxation of precontracted human bronchial and pulmonary arterial segments. VIP (Vasoactive intestinal peptide), also present in the human lung, failed to relax the majority of the bronchial segments tested. In guinea pig, the carbon monoxide (CO) producing enzyme heme oxygenase (HO) was observed in airway smooth muscle bundles. PACAP-containing nerve fibers were localized in association with the same structures as HO. In addition, PACAP relaxed precontracted guinea pig tracheal segments via a CO-dependent mechanism, indicating a role for CO in PACAP-induced airway relaxation. Following activation, certain glycoproteins, like CD11b, CD66b and CD63, emanating from intracellular granules, can be expressed on the neutrophil cell surface. An increase in the expression of CD11b, CD66b and CD63 was found following the migration of neutrophils from the blood stream to the surface of the nasal mucosa, indicating the presence of activated neutrophils in the nose. During ongoing allergic rhinitis, the expression of CD11b on neutrophils derived from the nose was further increased suggesting augmented neutrophil activation. In contrast neutrophils from the blood exhibited a reduced expression of CD11b and CD66b. The latter might be a reflection of negative feedback mechanisms. Human neutrophils incubated with PACAP exhibited a marked increase in their surface expression of CD11b, CD66b and CD63. No such increases were found following incubation with VIP. In contrast, both peptides inhibited N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP)-induced neutrophil chemotaxis. Application of PACAP in the human nose increased nasal airway resistance and augmented the increase in nasal resistance induced by histamine. In addition, PACAP inhibited histamine induced recruitment of neutrophils, increased plasma leakage and reduced the level of IL-1RA (an endogenously produced interleukin-1 receptor antagonist) in nasal lavage fluid. Altogether, the data presented in this thesis support the idea of PACAP as a modulator within the human airways, with a potential role in inflammatory diseases like allergy and asthma.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Andningsvägarna kan schematiskt uppdelas i en övre och nedre del där den övre består av näsa, bihålor, (mellanöra) och struphuvud och den nedre av luftstrupe, luftrör samt alveoler. Sjukdomar i andningsvägarna, såsom astma och olika allergiska tillstånd, är vanligt förekommande, men mekanismerna bakom deras uppkomst och utveckling är ofullständigt klarlagda. Neuropeptider är en grupp signalämnen vilka frisätts från nerver och som tros vara av en avgörande betydelse för att upprätthålla luftvägarnas normala funktion. Mycket talar för att en rubbning i detta nervösa system medverkar vid uppkomsten av flera av de symptom som ses vid astma, allergier och andra kroniskt inflammatoriska tillstånd i luftvägarna. PACAP (pituitary adenylate cyclase-activating peptide) är en neuropeptid som beskrevs 1989. PACAP fungerar som signalsubstans i såväl centrala som perifera delar av nervsystemet och frånvaro av PACAP är troligen inte förenligt med liv, då PACAP är av stor betydelse för utvecklingen av nervsystemet under fosterutvecklingen. PACAP återfinns även i luftvägarna och såväl PACAP-innehållande nerver som receptor har beskrivits i näsa och lunga. Nerver som innehåller PACAP finns också i olika lymfatiska organ och deltar som sådana i kroppens immunförsvar. Neutrofila celler är en sorts vita blodkroppar som kroppen använder i sitt försvar mot bl.a. bakterier. De tros även medverka i den inflammatoriska process som utvecklas i luftvägarna i samband med astma och olika allergiska tillstånd. Neutrofiler bildas i benmärgen och frisätts till blodbanan, där den cirkulerar under ett par dagar. I samband med allergiska reaktioner och vid bakteriella angrepp frisätts en rad olika kemiska ämnen, varav några ”aktiverar” cirkulerande neutrofiler. Neutrofilen binder sig härvid till kärlväggar nära platsen för den inflammatoriska processen och om tillräcklig stimulering föreligger vandrar den igenom kärlväggen för att sedan fortsätter mot platsen för inflammationen. Denna process styrs bl.a. genom ett föränderligt uttryck av signalsubstanser, sk CD-markörer på neutrofilens yta. I avhandlingens första delarbete kartläggs, med hjälp av s.k. immunohistokemisk teknik, närvaron av PACAP-innehållande nerver i human lunga. PACAP-innehållande nerver återfinns bl.a. i närheten av glatt muskulatur i såväl bronker som lungblodkärl. Med hjälp av vävnadsbad, där effekter på isolerade segment av bronker och kärl kan studeras, visas hur PACAP har förmåga att vidga kontraherade luftvägar och blodkärl. Sammantaget talar dessa data för att PACAP kan bildas och frisättas från nerver i lunga och att frisatt PACAP resulterar i vidgning av såväl kärl som luftvägar. Det senare torde vara en fördel under astmaanfall, ett tillstånd präglat av kramp i luftvägsmuskulaturen. I andra delarbetet, som genomförs på material från marsvin påvisas, med hjälp av i stort sett samma metodologi som i arbete ett, hur PACAPs luftvägsvidgande förmåga, åtminstone till viss del, är beroende av lokal bildning av kolmonoxid i bronkväggen. I tredje delarbetet studeras hur neutrofilerna aktiveras under sin passage, från blodbanan till näsan. Tre utvalda CD-markörer, CD11b, CD66b och CD63, med betydelse för neutrofil kärlvidhäftning och migration studerades i en flödescytometer. Uttrycket av samtliga markörer ökade påtagligt när neutrofiler, som renades fram från nässköljvätska, jämfördes med neutrofiler i blod. När undersökningen upprepades hos friska försökspersoner och gräspollenallergiker under pågående pollensäsong, kunde en kraftig ökning av antalet neutrofiler vilka rekryterats till näsan hos allergikerna konstateras. Parallellt med denna ökning steg uttrycket av CD11b på neutrofiler från näsan, medan uttrycket av CD11b och CD66b minskade på neutrofiler i blod hos allergiker. Detta kan tolkas som att inte bara antalet neutrofila celler i näsan ökar vid allergi, utan också att varje cells aktiveringsgrad stegrats. Det senare ökar cellens förmåga att interagera med sin omgivning och därmed medverka/motverka sjukdomsförloppet. Den minskning av CD11b och CD66b som sågs på neutrofiler i blod får ses som någon form av negativ återkoppling i syfte att förhindra för kraftig neutrofil aktivitet i näsan. I delarbetena fyra och fem undersöks hur PACAP, i två olika modellsystem, påverkar neutrofil aktivering respektive neutrofil migration. Uttrycket av CD11b, CD66b och CD63 på ytan av isolerade neutrofiler ökar parallellt med närvaron av ökande koncentrationer av PACAP. I migrationskammare kunde man vidare konstatera att PACAP minskade neutrofilernas benägenhet att vandra mot ett känt migrationsstimulerande ämne (fMLP). Dessa försök visar således att PACAP ökar neutrofil aktivering samtidigt som den minskar neutrofilernas förmåga att migrera mot ett inflammatoriskt centrum. PACAPs förmåga att hämma migration kan klassas som antiinflammatorisk, medan betydelsen av ökad aktivering, i termer av inflammatorisk påverkan, är mer svårvärderad. I det sjätte och avslutande delarbetet sprayas PACAP i näsan på friska försökspersoner. Därvid ökar andningsmotståndet i näsan liksom mängden albumin i nässköljvätska. Det första kan ses som en följd av vidgningen av blodkärlen i näsan, viket resulterar i en ökad slemhinnesvullnad med medföljande svårigheter att andas genom näsan. Albumin stiger då det i ökad utsträckning ”läcker” från kärl ut i näsan, något som ofta ses i samband med kraftiga vidgningar av blodkärlen. Som visats ovan finns det alltid en hel del neutrofiler i näsan. Sprayning av PACAP i näsan minskade antalet neutrofiler i näsan. Således kunde slutsatser om PACAPs påverkan på blodkärl och neutrofiler vilka grundats på resultat från modellförsök (delarbete ett, två, fyra och fem) bekräftas i den humana näsan. Några negativa effekter på blodtryck eller hjärtverksamhet kunde inte heller konsternas vid lokal tillförsel i näsan, något som öppnar vägen för humanförsök på de nedre luftvägarna. Sammanfattningsvis han sägas att PACAP har flera effekter på luftvägar och att dessa talar för att PACAP är involverad i såväl normal luftvägsreglering som i olika inflammatoriska tillstånd. Ytterligare försök behövs dock för att utreda om fördelarna av tillförsel av PACAP i form av luftrörsvidgning och hämning av neutrofil migration uppväger tänkbara nackdelar förknippade med ökad neutrofil aktivering, kärldilatation/slemhinnesvullnad och kärlläckage.

• author: Kinhult, Johan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Doc Dahlqvist, Åke, Institutionen för klinisk vetenskap, enheten för Öron-, Näs-, och Halssjukdomar, Umeå Universitet.
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Otorhinolaryngology
• keywords: audiology, auditive system and speech, Otorinolaryngologi, audiologi, hörsel- och talorganen, Otorhinolaryngology, allergy, neutrophils, smooth muscle, PACAP, airway regulation
• pages: 148 pages
• defense location: Lilla aulan, ingång 59 Medicinskt forskningscentrum, Universitetssjukhuset MAS, Malmö
• defense date: 2003-01-17 13:00:00
• ISBN: 91-628-5515-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I Kinhult J, Andersson JA, Uddman R, Stjarne P, Cardell LO. (2000). Pituitary adenylate cyclase-activating peptide 38 a potent endogenously produced dilator of human airways. European Respiratory Journal, 15:243-7.II Kinhult J, Uddman R, Cardell LO. (2001). The induction of carbon monoxide-mediated airway relaxation by PACAP 38 in isolated guinea pig airways. Lung, 179:1-8.III Kinhult J, Egesten A, Benson M, Uddman R, Cardell LO. Increased expression of surface activation markers on neutrophils following migration into the nasal lumen during allergic rhinitis (submitted).IV Kinhult J, Egesten A, Uddman R, Cardell LO. (2002). PACAP enhances the expression of CD11b, CD66 and CD 63 in human neutrophils. Peptides, 23:1735-9.V Kinhult J, Uddman R, Laan M, Linden A, Cardell LO. (2001). Pituitary adenylate cyclase-activating peptide inhibits neutrophil chemotaxis. Peptides, 22:2151-4.VI Kinhult J, Adner M, Uddman R, Cardell LO. PACAP effects in the human nose (submitted). The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Oto-Rhino-Laryngology (013243500), Reconstructive Surgery (013240300)
• id: b4bcccb2-8027-4764-883a-1e476aebc37c (old id 465365)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:11:51
• date last changed: 2018-11-21 21:03:17