Aiway Mucins: experimental models for studies of secretions

Abstract

Mucins are essential components of the mucosal barrier. The complexity of the airway mucosal barrier is reflected in the lack of specific treatments to block mucin hypersecretion associated with several respiratory diseases such as chronic bronchitis, asthma and cystic fibrosis. Currently, researchers in the mucin field are confronted with a growing number of mucin genes. In order to understand the function and the role of individual members of the mucin family in health and disease adequate experimental models are needed. Using sputum as a model to study mucins secreted into the airways in cystic fibrosis, MUC5AC and MUC5B mucins were identified as the predominant gel-forming species. No major differences were found in the macromolecular properties of the MUC5AC and MUC5B mucins when compared with normal airway secretions. MUC2 was found in small amounts within the ‘insoluble’ extraction residue from the gel. Bovine trachea was established as an in vitro model. A ‘novel’ mucin-like highly radiolabelled component was identified both in organ cultures and primary cell cultures whereas the major mucins identified using chemical methods were not labelled. In the light of this finding, many studies where radiolabelling and the release of radiolabelled molecules have been used as a marker for large oligomeric gel-forming mucins, require re-interpretation. The suitability of mucin-secreting methotrexate-treated HT29 cell line and two subclones thereof as a potential alternative to animal models was investigated. Two major airway mucins MUC5AC and MUC5B were produced as well as some MUC2.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Alla människor har säkert någon gång i sitt liv haft en vanlig förkylning med snuva, och ökad slemproduktion som främsta symtom. På luftvägsslemhinnans yta möter kroppen omvärlden i form av inhalerade partiklar, bakterier och virus som fastnar i den tunna slemfilm som normalt täcker och skyddar det yttersta cellagret. Vid irritation av slemhinnan ses ofta en förhöjd slemproduktion, som vid sjukdomar i luftvägarna såsom cystisk fibros, astma och kronisk bronkit kan bli så framträdande att ‘skyddsmekanismen’ närmast blir ett hot för individen. Dessa sjukdomar representerar sammantaget en betydande morbiditet och bättre läkemedel för att hantera sjuklig överproduktion av slem skulle därför öka livskvalitén hos många människor och samtidigt ha betydande positiva samhällsekonomiska konsekvenser. Slemlagret (mukus) består av trådlika, gelbildande molekyler som kallas muciner (Fig. 5). Dessa muciner produceras av specialiserade celler i ytepitelet (bägarceller) och av körtlar i den submukösa bindväven (Fig. 4) och ger upphov till slemmets typiska egenskaper. Förutom de slembildande mucinerna förekommer strukturellt närbesläktade muciner som är bundna till ytan på luftvägscellerna (Fig. 6). Dessa cellbundna muciner utgör tillsammans med den s.k. mukociliära transportmekanismen en första försvarslinje mot omvärlden. Ett stort antal molekyler som deltar i kroppens immunförsvar och/eller har antibakteriella egenskaper återfinns också i luftvägssekretet. Det är av klinisk betydelse att förstå varför produktionen av slem ökar vid de ovan nämnda sjukdomarna. Det är känt att antalet mucinproducerande celler ökar, men mekanismerna bakom detta är fortfarande okända. Det är också möjligt att ‘felaktiga’ muciner eller muciner som normalt inte hör hemma i luftvägarna produceras vid sjukliga tillstånd och därmed bidrar till att slemmet förändras på ett sätt som försämrar ciliernas transportförmåga. Det finns idag etablerade tekniker för att isolera och identifiera muciner från olika vävnader. Molekylärbiologiska studier har påvisat flera humana mucingener men alla genprodukter är inte kända biokemiskt. Mucinerna har betecknats MUC med ett nummer. Genom att använda olika experimentella modeller kan man bestämma vilka muciner som produceras i friska luftvägar och vid sjukdom. I denna avhandling har olika modeller utvecklats för att studera produktion av luftvägsmuciner. Sådana modeller är nödvändiga för att kunna undersöka hur mucinproduktion förändras som svar på t.ex. irriterande substanser och därmed kommer att bidra till ökad kunskap om vad som orsakar överproduktion av slem.



Arbetet 1: Sputum samlades från patienter med sjukdomen cystisk fibros. Mucinerna renades med biokemiska tekniker och identifierades med antikroppar specifika mot de olika mucintyperna. De dominerande mucinerna visade sig vara MUC5AC och MUC5B med egenskaper motsvarande de man tidigare observerat för dessa muciner från individer med kronisk bronkit och normal luftvägsslemhinna. En signifikant del av MUC5AC var degraderat, sannolikt på grund av riklig förekomst av proteolytiska enzymer frisläppta från inflammatoriska celler. Endast små mängder MUC2 kunde isoleras – ett oväntat fynd mot bakgrund av att flera författare med molekylärbiologiska tekniker visat ett ökat uttryck av detta mucin.



Arbete 2: Bovin luftvägsslemhinna har etablerats i organkultur och används för att studera inkorporering av radioaktiva prekursorer i muciner. Det viktigaste fyndet var att de oligomera slembildande mucinerna endast blev måttligt inmärkta, medan merparten prekursor återfanns i en molekyl med egenskaper motsvarande ett högmolekylärt monomert mucin. Den uttalade radioaktiva inmärkningen hos denna molekyl tolkades som att den har en hög omsättningshastighet. Flera forskare har tidigare med största sannolikhet tolkat liknande data som ett mått på mängden slembildande mucin vid farmakologiska studier av slemsekretion. Dessa studier måste mot bakgrund av våra fynd omvärderas.



Arbete 3: Detta arbete visar hur bovina luftvägsceller kan etableras och studeras som primära cellkulturer och är därmed en logisk uppföljning av arbete 2. Även här kunde det radioaktivt märkta monomera mucinet identifieras, och därmed är det högst troligt att denna molekyl kommer från ytepitelet. I denna modell kunde cellerna studeras under längre tidsperioder än i den organkultur som användes i arbete 2. Arbetet visar också att odlingssubstrat är väsentligt för hur cellerna uppträder men inte substrattjockleken.



Arbete 4: Här användes en human cellinje (HT29-MTX) och två subkloner av denna för att studera mucinproduktion. Denna cellinje visade sig huvudsakligen producera MUC5AC och MUC5B och endast små mängder MUC2 och liknar därmed - den bild vi ser i sputum. En signifikant del av MUC5AC uppträder som ett olösligt mucinkomplex. MUC5AC och MUC5B uppträder som högmolekylära oligomera strukturer med en storleksfördelning som motsvarar den man ser i sputum.

• author: Svitacheva, Naila
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Rogers, Duncan F., National Heart & Lung Institute, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, UK
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: cystic fibrosis, bovine trachea, radiolabelling, cell line, primary cell culture, organ culture, mucus, mucin, Endocrinology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 131 pages
• defense location: GK-salen BMC
• defense date: 2001-09-28 10:15:00
• ISBN: 91-631-1289-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Cell and Matrix Biology (LUR000002)
• id: debd33f6-1b0c-42e2-b21c-e5df3bd89cb2 (old id 41790)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:01:00
• date last changed: 2020-02-24 10:10:53