Endotheliales ADAM17 als Schlüsselregulator der mikrovaskulären Permeabilität und Neutrophilenmigration in der LPS-induzierten akuten pulmonalen Inflammation

Abstract

Die akute pulmonale Inflammation entsteht häufig infolge einer überschießenden Immunreaktion auf pathogene Reize. Obwohl Entzündungsreaktionen für die Bekämpfung von Infektionen und die Einleitung der Gewebereparatur unerlässlich sind, kann eine exzessive Inflammation zu erheblichen Gewebeschäden, einer Beeinträchtigung der Lungenfunktion und in schweren Fällen zu lebensbedrohlichen Zuständen wie dem ARDS führen. Das ARDS ist durch einen hyperinflammatorischen Zustand gekennzeichnet, der mit einer exzessiven Infiltration von Neutrophilen und der Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren einhergeht, welche die mikrovaskuläre Permeabilität erhöhen, die Ödembildung fördern und den Gasaustausch beeinträchtigen. Die Entzündungsreaktion wird durch verschiedene Mechanismen reguliert, wobei Proteasen der ADAM-Familie, insbesondere ADAM17, über das Shedding von Adhäsionsmolekülen und Entzündungsmediatoren eine zentrale Rolle einnehmen. Da das ADAM17-vermittelte Shedding zahlreicher Substrate kontextabhängig sowohl pro- als auch antiinflammatorische Effekte haben kann, ist der Einsatz systemischer Breitbandinhibitoren problematisch. Der Einfluss von ADAM17 auf die zentralen Mechanismen der akuten pulmonalen Entzündungsreaktion wurde in einem murinen in-vivo-Modell der LPS-induzierten akuten pulmonalen Inflammation sowie in ergänzenden in-vitro-Analysen mit humanen Neutrophilen und Epithel- sowie Endothelzelllinien untersucht. Die Expression von ADAM17 war in der LPS-induzierten akuten pulmonalen Inflammation erhöht und wurde durch die systemische Inhibition mit TAPI-1 und GW280264X reduziert. Eine in-vivo-Genexpressions- und in-vitro-siRNA-Transfektionsanalyse in HMVEC-L zeigten, dass zwischen ADAM17 und TNFR1 bzw. IL-6R vermutlich eine bidirektionale Rückkopplungsschleife besteht und dass ADAM17 diese Signalwege über die Gene NF-κB, JNK, TRADD, CREB, JAK1 und STAT3 moduliert. Darüber hinaus wurde ein unmittelbarer Einfluss von ADAM17 auf die Neutrophilenrekrutierung nachgewiesen. In vitro führte die ADAM17-Inhibition zu einer reduzierten PMN-Migration in einem fMLP-Gradienten und zu einer verminderten Transmigration durch eine Endothel- und Epithelzellschicht. In vivo resultierte die systemische ADAM17-Inhibition in einer reduzierten PMN-Migration ins Interstitium. Die kombinierte Hemmung von ADAM17/ADAM10 verstärkte diesen Effekt und führte zu einer erhöhten PMN-Akkumulation am Endothel sowie zu einer signifikant reduzierten Migration in das Interstitium und den Alveolarraum. Zudem zeigte ADAM17 einen direkten Einfluss auf die Integrität der Endothelbarriere und eine erhöhte mikrovaskuläre Permeabilität. Die ADAM17-Inhibition schützte vor einer Destruktion der Lungenarchitektur mit aufgeschwemmten Alveolarsepten und vor der Ausbildung eines proteinreichen Lungenödems. Ebenso wurden die Adhäsionsmoleküle JAM-A und VE-Cadherin auf pulmonalen Endothelzellen durch ADAM17 moduliert und nach Inhibition eine reduzierte Gap-Formation detektiert. Die gewebespezifische Deletion von endothelialem ADAM17 in der konditionalen Knockoutlinie ADAM17Tie2+ führte zu einer 77,5-prozentigen Reduktion der ADAM17-mRNA-Expression im gesamten Lungengewebe. Daraus wurde die Hypothese abgeleitet, dass endotheliales ADAM17 in der akuten pulmonalen Inflammation eine Schlüsselrolle bei der Regulation der mikrovaskulären Permeabilität und der PMN-Migration in das entzündete Lungengewebe einnimmt. In vivo verstärkte endotheliales ADAM17 die Neutrophilenrekrutierung in das Interstitium und den Alveolarraum. Durch das Fehlen von ADAM17 auf Endothelzellen wurden PMNs infolge einer erhöhten Expression von PSGL-1 und CD49d am Endothel zurückgehalten und aktiv an der Transmigration in das Interstitium und die Alveolen gehindert. Darüber hinaus förderte endotheliales ADAM17 den Verlust der endothelialen Barriere und die Entstehung eines proteinreichen Lungenödems. Die erhöhte Freisetzung von TNF-α, löslichem CD62L, MPO und ELA2 in die BAL verdeutlichte zusätzlich, dass endotheliales ADAM17 die pulmonale Inflammation in den Alveolen verstärkt. Die vorliegende Arbeit zeigte, dass endotheliales ADAM17 ein Schlüsselregulator der mikrovaskulären Permeabilität und der Neutrophilenmigration in der LPS-induzierten akuten pulmonalen Inflammation ist. Diese Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis der Pathomechanismen des ARDS bei und bilden die Grundlage für die Entwicklung einer gezielten ADAM17-Inhibition in pulmonalen Endothelzellen sowie für weiterführende Untersuchungen in klinisch relevanten Modellen.