Experimental study of the effect of combined elastase inhibition and angiotensin-2-receptor blockade on ventilator-induced neonatal lung injury in newborn mice
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsprojektes war es, die Wirkung mechanischer Beatmung auf die neonatale Lunge differenzierter zu betrachten und neue Behandlungsstrategien zur Protektion vor beatmungsinduzierter Schädigung zu untersuchen um der Entstehung chronischer Lungenerkrankungen entgegen zu wirken. Nachdem sich der Einsatz des Angiotensin-2-Rezeptor-Blockers Losartan bei neugeborenen Mäusen unter mechanischer Beatmung mit 40% O2 in dem von uns gewählten Modell als nicht erfolgsversprechend erwiesen hatte, wurde der Einfluss von Apelin auf den FGF2/FGFR1-Signalweg via der microRNA-424 und 503 als für die Gefäßintegrität essentiellen Signalweg untersucht. Durch die mechanische Beatmung mit 40% O2 kam es zu einer Hochregulation von FGFR1 und FGF2 auf Genexpressionsniveau. Die zweimalige subkutane Applikation von Apelin 100ng/g KG zu den Zeitpunkten 12h vor Beginn des Versuches (-12h) und bei Beginn des Versuches (0h) konnte diesen Anstieg sowie die Runterregulation von VEGFR2 (Vascular Endothelial Growth Factor Rezeptor 2) mRNA als Marker für die Gefäßintegrität signifikant vermindern. Beim Einsatz von Apelin an Elafin exprimierenden Mäusen unter 8-stündiger Beatmung mit 40% O2 geschah dies ohne relevanten Anstieg der Caspase-3-Aktivität als Marker für Apoptosevorgänge, was die weitere Evaluation einer Kombinationsbehandlung von Elafin und Apelin nahe legt. Um das Behandlungskonzept der Suppression der TGF- Signaltransduktion weiter zu verfolgen, wurde im Anschluss daran eine weitere Kombinationsbehandlung mit einem TGFβ-Antikörper (TGFβ-Nab) bei Elafin exprimierenden Mäusen angestrebt. Des Weiteren wurde der Notch-Signalweg als essentieller Signalweg für eine physiologische Angiogenese unter mechanischer Beatmung untersucht. Wir konnten zeigen, dass die mechanische Beatmung mit 21% O2 in unserem neonatalen Maus-Modell zu einer verminderten Aktivierung des Notch-Signalweges, begleitet von einer vermehrten Aktivierung des TGFβ-Signalweges sowie einer reduzierten VEGF-Signaltransduktion führte, was die unter mechanischer Beatmung gestörte Angiogenese erklären könnte. Um einen klinischen Bezug zu realisieren wird weiterhin an einer Studie an Frühgeborenen, die ein erhöhtes Risiko der Entwicklung chronischen Lungenerkrankung im Sinne einer Bronchopulmonalen Dysplasie (BPD) aufweisen, gearbeitet mit dem Ziel Biomarker zu identifizieren. Blutproben, Trachealsekrete und Urinproben werden auf Elastase-Aktivitäten in Relation zu Elafin-Spiegeln berechnet sowie Desmosin im Urin bestimmt. Um auch den Aspekt des Einflusses der Extrazellularmatrix auf die Lungenstruktur und -funktion zu erfassen, führten wir zwecks Ergänzung und Komplettierung des im September diesen Jahres bei APJ-Lung eingereichten und sich in Revision befindenden Papers zum Thema “Lung matrix and vascular remodeling in mechanically ventilated elastin haploinsufficient (Eln+/−) newborn mice” histologische Untersuchungen von Lungenstruktur und Gefäßverteilung durch. Dabei zeigte sich, dass die Elastin-Haploinsuffizienz eine pulmonale Angiogenese nachteilig beeinflusst, und dass eine mechanische Beatmung zu einem zusätzlichen Verlust an Kapillaren mit nachfolgendem Lungenwachstumsstopp und einer gestörten Lungenfunktion sowohl in Elastin-haploinsuffizienten als auch in Wildtyp Mäusen führt. Überraschend war, dass die Struktur der Alveolen im Vergleich keine Unterschiede aufwies. Im Rahmen des Elafin-Projektes wurden unterschiedliche Dosen, Applikationswege und –regime zur Erlangung einer vollständigen Protektion der Lunge unter 24-stündiger O2–Beatmung evaluiert um eine möglichst ungestörte Angiogenese zu ermöglichen. Basierend auf diesen Ergebnissen und den im Rahmen meines von der DFG-geförderten Auslandsstipendiums erworbenen Methoden soll in einem Anschluss-Projekt die therapeutische Wirkung des humanen Elastase-Inhibitors Elafin auf den neonatalen akuten Lungenschaden (nALI) anhand des an unserer Klinik etablierten Ferkelmodells untersucht werden.
Publications
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Inositol-trisphosphate reduces alveolar apoptosis and pulmonary edema in neonatal lung injury. Am J Respir Cell Mol Biol. 2012 Aug;47(2):158-69. Epub 2012 Mar 8
Preuss S, Stadelmann S, Omam FD, Scheiermann J, Winoto-Morbach S, von Bismarck P, Knerlich-Lukoschus F, Lex D, Adam-Klages S, Wesch D, Held-Feindt J, Uhlig S, Schütze S, Krause MF
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Topical application of phosphatidyl-inositol-3,5-bisphosphate for acute lung injury in neonatal swine. J Cell Mol Med. 2012 Nov;16(11):2813-26
Preuss S, Omam FD, Scheiermann J, Stadelmann S, Winoto-Morbach S, von Bismarck P, Adam-Klages S, Knerlich-Lukoschus F, Lex D, Wesch D, Held-Feindt J, Uhlig S, Schütze S, Krause MF
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18:1/18:1-Dioleoyl-phosphatidylglycerol prevents alveolar epithelial apoptosis and profibrotic stimulus in a neonatal piglet model of acute respiratory distress syndrome. Pulm Pharmacol Ther. 2014 Jun;28(1):25-34. Epub 2013 Oct 16
Preuß S, Scheiermann J, Stadelmann S, Omam FD, Winoto-Morbach S, Lex D, von Bismarck P, Adam-Klages S, Knerlich-Lukoschus F, Wesch D, Held-Feindt J, Uhlig S, Schütze S, Krause MF
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Biodistribution and pharmacokinetics of 99mTc labeled elafin in rats. J Nucl Med May 2014 vol. 55 no. supplement 1 1208
Maaz Zuhayra, Angelina Tjiong, Yi Zhao, Juraj Culman, Marlies Marx and Ulf Lützen
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TGFβ-Blockade preserves Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) signaling and enables alveolar formation in mechanically ventilated newborn mice. Konferenz der American Thoracic Society (ATS) 2014
Alcazar MA, Parai K, Hilgendorff A, Preuss S, Kaschwich M, Ertsey R, Mokres L, Navarro E, Rabinovitch M, Bland RD
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Lung matrix and vascular remodeling in mechanically ventilated elastin haploinsufficient newborn mice. American Journal of Physiology - Lung Cellular and Molecular Physiology, Volume 308 Issue 5 March 2015 Pages L464-L478
Hilgendorff A, Parai K, Ertsey R, Navarro E, Jain N, Carandang F, Peterson J, Mokres L, Milla C, Preuss S, Alcazar MA, Khan S, Starcher B, Rabinovitch M, Bland RD + 3 weitere
