Characterization of local respiratory irritation and inflammation after acute exposure to biological and chemical substances in PCLS [Elektronische Ressource] / Simone Switalla

Simone Switalla

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Characterization of local respiratory irritation and inflammation after acute exposure to biological and chemical substances in PCLS Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades Doktorin der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von Dipl.-Biol. Simone Switalla geboren am 13.11.1980, in Neustadt am Rübenberge 2011 Referent: Prof. Dr. Dieter Steinhagen Korreferent: PD Dr. Armin Braun Korreferent: Prof. Dr. Gerd Bicker Tag der Promotion: 14.01.2011 bbZusammenfassung Zusammenfassung Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und die akute Lungen-schädigung/akutes Lungenversagen (ARDS) sind Erkrankungen, die aufgrund ihrer Kortikosteroidresistenz durch hohe Mortalitätsraten gekennzeichnet sind. Für das Verständnis der zugrunde liegenden immunologischen und toxikologischen Mechanismen ist die Entwicklung humanrelevanter präklinischer in vivo- und in vitro-Modelle von hoher Dringlichkeit. Ziel dieser Arbeit war es, ein Modell zu etablieren, das die Immunantwort in COPD und die vorrangig toxischen Aspekte der akuten Lungenschädigung/ARDS widerspiegeln kann. Dazu wurde die organtypische Gewebekultur Präzisionslungenschnitte (PCLS) mit den Modellsubstanzen Lipopolysaccharid (LPS), Ozon (O ) und Stickstoffdioxid (NO ) exponiert.

Sujets

• Biologie

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

           

Characterization of local respiratory irritation and inflammation after acute exposure to biological and chemical substances in PCLS

Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover   zur Erlangung des Grades Doktorin der Naturwissenschaften Dr. rer. nat.   genehmigte Dissertation von Dipl.-Biol. Simone Switalla geboren am 13.11.1980, in Neustadt am Rübenberge       2011

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referent:Prof. Dr. Dieter Steinhagen

Korreferent:PD Dr. Armin Braun

Korreferent:Prof. Dr. Gerd Bicker

Tag der Promotion:14.01.2011

 

 

Zusammenfassung 

Zusammenfassung 

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und die akute Lungen- schädigung/akutes Lungenversagen (ARDS) sind Erkrankungen, die aufgrund ihrer Kortikosteroidresistenz durch hohe Mortalitätsraten gekennzeichnet sind. Für das Verständnis der zugrunde liegenden immunologischen und toxikologischen Mechanismen ist die Entwicklung humanrelevanter präklinischerin vivo- undin vitro- Modelle von hoher Dringlichkeit. Ziel dieser Arbeit war es, ein Modell zu etablieren, das die Immunantwort in COPD und die vorrangig toxischen Aspekte der akuten Lungenschädigung/ARDS widerspiegeln kann. Dazu wurde die organtypische Gewebekultur Präzisionslungenschnitte (PCLS) mit den Modellsubstanzen Lipopolysaccharid (LPS), Ozon (O 3 ) und Stickstoffdioxid (NO 2 ) exponiert. Die Stimulation humaner PCLS mit dem Toll-like-Rezeptor-4 (TLR4) Agonist LPS aktivierte das angeborene Immunsystem und induzierte eine pro-inflammatorische Immunantwort, wie sie in COPD-Patienten beschrieben wird. Zytokine wie z. B. IL-1b, MCP-1 und GM-CSF zeigten einen signifikanten Anstieg, der durch das synthetische Kortikosteroid Dexamethason inhibiert werden konnte. Dagegen bewirkte eine akute Exposition mit hohen Dosen O 3 und NO 2 vorrangig eine Schädigung des Gewebes, wie sie bei akuter Lungenschädigung/ARDS auftritt. Eine pro-inflammatorische Immunantwort konnte nicht gezeigt werden. Zytokine wie IL-12, Eotaxin, MCP-1 oder MIP-1b blieben nahezu unverändert und ein Anstieg konnte lediglich für IL-1α nach O 3 -Exposition nachgewiesen werden. Damit konnte abschließend gezeigt werden, dass PCLS ein geeignetes Model sind, um die Immunantwort in COPD und die Gewebetoxizität in akuter Lungenschädigung/ARDS als Teilaspekte dieser Erkrankungen darzustellen.

I

Abstract

Abstract

Severe lung diseases including chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and acute lung injury/acute respiratory distress syndrome (ARDS) result in high mortality rates with resistance to nearly all anti-inflammatory therapies. To understand the underlying immunological and toxicological mechanisms the need emerged to develop adequate preclinicalin vivo andin vitro models that extrapolate the humanin vivo   situation. The aim of these studies was to provide a model reflecting the immune responses in COPD and reflecting the toxicological events occurring in acute lung injury/ARDS. For that, widely used model compounds lipopolysaccharide (LPS), ozone (O 3 ), and nitrogen dioxide (NO 2 to the organotypic tissue culture model) were added precision-cut lung slices (PCLS). Treatment of human PCLS with the toll-like receptor 4 (TLR4) agonist LPS activated the innate immunity resulting in a pro-inflammatory cytokine profile similar to that in COPD patients. Cytokines such as IL-1b, MCP-1, and GM-CSF were significantly increased and could be inhibited by co-treatment with the synthetic corticosteroid dexamethasone. In contrast, air-liquid interface (ALI) exposure of PCLS to the reactive gas compounds O 3 and NO 2 induced damage of lung parenchyma – described as a main feature in acute lung injury/ARDS. However, the pro-inflammatory immune response was not prominent. Cytokines such as IL-12, eotaxin, MCP-1, and MIP-1b remained unchanged. IL-1αexpression was only increased upon O 3 exposure. Concluding it could be shown that PCLS represent a suitable model to reflect immune responses in COPD, respectively tissue damage in acute lung injury.

II

Key words

Schlagwörter: (PCLS), Chronisch obstruktive Präzisionslungenschnitte

Lungenerkrankung (COPD), akute Lungenschädigung/akutes Lungenversagen (ARDS),

cytokine, toxicity

 

Key words: Precision-cut lung slices (PCLS), chronic obstructive lung disease

(COPD), acute lung injury/ acute respiratory distress syndrome (ARDS), Zytokine,

Toxizität

 

 

 

 

 

 

III

Table of contents

Table of contents

Zusammenfassung......................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... II Preamble .......................................................................................................................1 1 Introduction...........................................................................................................2 1.1 Homeostasis of the lung .................................................................................2 1.1.1 Interplay of resident and migrating cell types under homeostasis................2 1.2 Disturbance of homeostasis in the respiratory tract leads to the severe lung diseases COPD and acute lung injury/ARDS .................................................4 1.2.1 Permanent inhalation of the main risk factor cigarette smoke can lead to COPD ........................................................................................................4 1.2.2 Widely used model compounds such as LPS and cigarette smoke mimic COPD in animal and cell-based models .....................................................6 1.2.3 High-dose exposure to chemicals and toxic agents leads to acute lung injury/ARDS..............................................................................................7  1.2.4 Model compounds LPS and irritant gases O 3 and NO 2 mimic acute lung injury/ARDS in animal and cell-based models ...........................................8 1.3 PCLS combine organ complexity and human relevance in anex vivolung model .......................................................................................................... 11 2 Hypothesis .......................................................................................................... 14 3 Natural innate cytokine response to immunomodulators and adjuvants in human precision-cut lung slices......................................................................................15  4 Effects of acutein vitroexposure of murine precision-cut lung slices to gaseous nitrogen dioxide and ozone in an air-liquid interface (ALI) culture ...................... 26 5 General discussion............................................................................................... 36 5.1 Reflection of the pro-inflammatory response in COPD in the organotypic lung model PCLS......................................................................................... 36 5.2 PCLS mimic early toxic features of acute lung injury/ARDS ....................... 40

IV

Table of contents

5.3 Status of the development of organ complexity of organo-typic cell- and tissue-based 3D-models...............................................................................43 

5.4 Assessment ofin vivo 44relevance of PCLS ....................................................

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Outlook ............................................................................................................... 46

List of references ................................................................................................. 47

List of abbreviations ............................................................................................ 63

Appendix I: List of publications..........................................................................65 

Appendix II: Curriculum Vitae ............................................................................ 66

Appendix IV: First author´s contribution to the papers of this thesis .................... 67

Appendix V: Acknowledgements........................................................................68 

V