TGF-ß, Smad3 und Alveolarisation

Eine defekte Alveolarisation wurde ebenfalls durch eine Smad3-Defizienz beschrieben (Chen et al., 2005). Im Rahmen des TGF-ß-Signalweges spielt auch Smad3 als intrazellulärer Signalgeber eine wichtige Rolle. So wurde eine gestörte Lungenalveolarisation in der frühen Phase der späten Alveolarisation

bei Smad3-KO-Mäusen beobachtet, ab Tag 28 postnatal prägte sich zudem ein zentrilobuläres Emphysem aus. Folglich scheint Smad3 die neonatale Lungenentwicklung positiv zu regulieren und eine schützende Funktion gegenüber der Ausbildung eines zentrilobulären Emphysems im Erwachsenenalter auszuüben (Ashcroft et al., 1999; Zhao et al., 2002).

Zusammenfassend lässt sich hierzu festhalten, dass eine Stimulation der TGF-ß-Signalkaskade zur Entstehung einer bronchopulmonalen Dysplasie und Lungenfibrose führt, wohingegen eine Hemmung eine reduzierte Lungenalveolarisation mit nachfolgendem Emphysem nach sich zieht (Morris et al., 2003; Neptune et al., 2003; Sterner-Kock et al., 2002). Hier wurde also der Fokus also auf eine Emphysementstehung gelenkt. Per definitionem würde sich ein Emphysem allerdings durch eine Gewebedestruktion ausbilden (Thurlbeck e t a l . , 1 9 9 7 ) . C h e n e t a l . ( 2 0 0 5 ) b e s c h r i e b e n l e d i g l i c h e i n e Emphysementwicklung bei MMP-9-Hochregulation durch Beeinflussung der frühen Alveolarisation in Smad3-defizienten Mäusen. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass der TGF-ß-Smad3-Signalweg wahrscheinlich die postnatale Alveolarisation in der Mäuselunge fördern und demnach vor der Entwicklung eines Altersemphysems schützen würde. Auch Morris et al. (2003) und Finlay et al. (1997) beschrieben eine Assoziation eines Emphysems hier mit Erhöhung von MMP-12. Morris et al. (2003) zeigten dabei das MMP-12-abhängige Emphysem durch Verlust der TGF-ß-Aktivierung in ß6 -Integrin-KO-Mäusen auf. Offen blieb hier allerdings, ob der TGF-ß-spezifische Weg die L u n g e n a l v e o l o g e n e s e f ö r d e r t e . H i e r k a m e s a l s o z u e i n e r Emphysementwicklung, weil eine erhöhte MMP-12-Konzentration nachgewiesen werden konnte, denn MMP-12 würde eine reduzierte Elastinproduktion nach sich ziehen. Demgegenüber stand, dass eine gezielte Hemmung von MMP-12 Mäuse vor einer Fas-induzierten Lungenfibrose schützte (Matute-Bello et al., 2007). Auch die Arbeitsgruppe von Funke et al.

(2016) stellte ein reduziertes Level von MMP-12 in LPA1-KO-Mäusen dar, was zum Genotyp mit reduzierter Alveolenzahl und erhöhtem Alveolenvolumen im Sinne des histologischen Bildes eines „Emphysems“ führte, und zwar durch eine gestörte Bildung der Alveolarsepten. Auch in dieser Dissertation wurde der Nachweis der gestörten Alveologenese bei LPA1-KO-Mäusen auf struktureller Ebene erbracht. Zur Überlegung steht, ob die im Zeitraum zwischen der 3. und

12. Lebenswoche auftretenden strukturellen Veränderungen im Vergleich LPA1 -K O - v e r s u s W T- M a u s a u s s c h l i e ß l i c h d u r c h e i n e n g e s t ö r t e n Alveolarisationsprozess oder zeitgleich auch durch einen destruktiven Prozess bedingt wurden. Die erhoben stereologischen Daten zeigten zum einen, dass die Alveolenzahl bei der LPA1-KO-Maus zwischen der 3. und 12. Lebenswoche zwar anstieg, allerdings auf deutlich niedrigerem Niveau als beim WT, was das Vorliegen eines Defektes im frühen Stadium der späten Alveolarisation nahelegte. Nach der 12. Lebenswoche kam es nämlich sowohl bei der LPA1 -KO-Maus als auch beim WT zu einer weiteren Zunahme der Alveolenzahl. Zum anderen zeigte sich, dass es bei den LPA1-KO-Tieren zu einer Abnahme der Volumendichte der interalveolären Septen im Parenchym zwischen der 3. und 12. Lebenswoche kam. Die interalveolären Septen stellten sich rarefiziert dar, gleichzeitig nahmen die distalen Lufträume an Volumen zu. Somit war in dieser Phase bei der LPA1-KO-Maus von einer signifikanten Störung der Lungenentwicklung mit gestörter Alveolarseptumbildung auszugehen. Des Weiteren stieg das volumen-gewichtete mittlere Volumen der Alveolen bei der LPA1-KO-Maus zwischen der 3. und 24. Lebenswoche im Gegensatz zum WT deutlich an, was der histologisch darstellbaren Dilatation der distalen Lufträume entsprach. Dies hatte zwar einen emphysemartigen Charakter, jedoch wiesen die erhobene Daten vielmehr auf eine Entwicklungsstörung in der Alveolarisation hin und eben nicht auf eine Destruktion bestehenden Gewebes.

Somit scheint der LPA-LPA1-Signalweg den Alveolarisationsprozeß in der frühen Phase der späten Alveolarisation zu beeinflussen, wobei Faktoren wie MMP’s, Fibroblastenaktivität und Elastinproduktion eine Rolle spielen könnten.

Im Rahmen der Dissertation konnten parallele Effekte der TGF-ß-Smad3-Signalkaskade mit der LPA-LPA1-Signalkaskade vermerkt werden: So kam es auch bei den LPA1-KO-Tieren zu einer gestörten Alveolarisation in der frühen Phase der späten Alveolarisation, nämlich zwischen 3. und 12. Lebenswoche der Mäuse. Dies führte ebenfalls zu einem Phänotyp, den man am ehesten als bronchopulmonale Dysplasie bezeichnen muss. Allerdings nahm die Alveolenzahl im weiteren Verlauf bei den LPA1-KO-Mäusen noch zu. Das heißt, dass das späte Stadium der späten Alveolarisation bei den LPA1-KO-Mäusen nicht beeinträchtigt war. Dies wurde bei den Tieren mit Smad3-Defizienz nicht

beschrieben. Interessant wäre es daher, zu untersuchen, ob die Smad3-Funktion auch das späte Stadium der späten Alveolarisation beeinträchtigt.

LPA- und Smad3-Funktion scheinen somit parallele Effekte in der Lungenentwicklung auszuüben, wobei diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Lungenreifung Einfluss nehmen. Folglich könnte eine medikamentöse Beeinflussung der Smad3- und LPA1-Funktion zur Behandlung chronischer Lungenerkrankungen, die eine fibrotische Lungenstruktur ausbilden, beitragen.

Somit gilt es, diese Funktionen in weiteren Studien auch an der menschlichen Lunge zu untersuchen.

LPA1-defiziente PSMFB‘s führten über eine gestörte Migration sowie Elastinproduktion zu einer gestörten Septenbildung der Alveolen, welche in LPA1-KO-Mäusen im Alter von 3 Lebenswochen gefunden wurde (Funke et al., 2016). In Smad3-KO-Mäusen war die eingeschränkte Tropoelastin-mRNA-Expression assoziiert mit einer gestörten Alveolarisation (Chen et al., 2005).

Entscheidend für die Alveologenese, insbesondere der Alveolarseptenbildung, scheint also ebenso die Produktion und Reifung von Elastin zu sein (Bourbon et al., 2005).

Die in Smad3-KO-Mäusen beschriebene Erweiterung der Lufträume war assoziiert mit einer gesteigerten MMP-9 und -12-Expression, was letztlich das Bild eines Emphysems einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) hervorruft (Chen et al., 2005; Bonniaud et al., 2004; Morris et al., 2003). Die genannten MMP‘s waren also durch ihre elastolytische Wirkung in die Emphysemprogression verwickelt (Houghton et al., 2015; Lanone et al., 2002).

Im Gegensatz zur Smad3-KO-Maus war das Expressionslevel von MMP-9 und MMP-12 in der Lunge bei LPA1-KO-Tieren reduziert, was die These unterstützt, dass die reduzierte Alveolenzahl und das erhöhte Lungenvolumen bei den LPA1-KO-Tieren durch eine gestörte Alveolarseptenbildung hervorgeht und nicht durch eine Destruktion bereits bestehenden Gewebes (Funke et al., 2016).

In Zusammenschau der genannten Befunde liegt beim LPA1-KO also eine Lungenentwicklungsstörung im Sinne einer gestörten Alveolarisation durch Funtionseinschränkungen in diversen Komponenten wie PSMFB‘s, Elastin und MMP‘s vor.