Quantitative Phänotypanalyse der Surfactantprotein-D-knockout-Maus

Das pulmonale Surfactantsystem hat für die normale Lungenfunktion essentielle biophysikalische und immunmodulatorische Funktionen. Surfactantprotein D (SP-D) gehört zur Proteinfamilie der Collectine, die an der angeborenen Immunabwehr beteiligt sind [1, 2]. SP-D-defiziente Mäuse entwickeln Störungen der Surfactanthomöostase, die zu einer alveolären Lipoproteinose führen und mit Alterationen der Surfactant-produzierenden Typ-II-Alveolarepithelzellen und der Surfactant-abbauenden Alveolarmakrophagen assoziiert sind [3 – 5]. Darüber hinaus entwickeln SP-D-knockout-Mäuse Emphysem-artige Veränderungen mit einer erhöhten Produktion von Matrix-Metalloproteinasen und reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen [6 – 8], was auf einen vermutlich durch Alveolarmakrophagen vermittelten chronischen Entzündungsprozess hinweist. GM-CSF ist über den Transkriptionsfaktor PU.1 für die terminale Differenzierung und anschließende Aktivierung von Alveolarmakrophagen notwendig [9, 10].

Ziel unserer Untersuchung war es, die Hypothese zu überprüfen, dass sich durch eine Aufhebung der durch GM-CSF vermittelten Aktivierung der Alveolarmakrophagen eine Abschwächung des Phänotyps der SP-D-knockout-Maus erreichen lässt. Hierzu haben wir eine quantitative Phänotypanalyse der Lungen SP-D-, GM-CSF- und SP-D/GM-CSF-defizienter Mäuse (C57Bl6/CD-1, Alter 12 Wochen; n = 5 pro Genotyp) auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene durchgeführt und hierbei eine neue stereologische Methode, die die direkte Bestimmung der Alveolenzahl erlaubt [11], angewendet.

Im Vergleich zum Wildtyp fanden sich in SP-D-knockout-Mäusen weniger und größere Alveolen und eine geringere Alveolarepitheloberfläche. Diese Emphysem-artigen Veränderungen waren in einem vergleichbaren Ausmaß auch in GM-CSF-knockout-Mäusen und in einem signifikant stärkeren Ausmaß in SP-D/GM-CSF-Doppelknockout-Mäusen vorhanden. Darüber hinaus fanden sich in SP-D-knockout-Mäusen eine Hyperplasie und Hypertrophie der Typ-II-Zellen sowie eine Erhöhung des intrazellulären Surfactantpools. Dagegen zeigten sich in GM-CSF-knockout-Mäusen eine verringerte Größe der Typ-II-Zellen und eine Erniedrigung des intrazellulären Surfactantpools. Im Gegensatz zu den Emphysem-artigen Alterationen waren die Veränderungen der Typ-II-Zellen und des intrazellulären Surfactantpools in SP-D/GM-CSF-Doppelknockout-Mäusen weitgehend bis vollständig korrigiert.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die durch GM-CSF vermittelte Aktivierung von Alveolarmakrophagen für die Entwicklung eines Emphysems in SP-D-knockout-Mäusen nicht notwendig ist, aber dass die Proliferation und der Surfactantmetabolismus von Typ-II-Zellen in diesem Modell durch GM-CSF reguliert wird.

Literatur: ¹Hawgood S, Poulain FR. Annu Rev Physiol 2001: 63:495 – 519. ²Crouch E, Wright JR. Annu Rev Physiol 2001: 63: 521 – 554. ³Botas C et al. Proc Natl Acad Sci USA 1998: 95: 11869 – 11874. ⁴Korfhagen TR et al. J Biol Chem 1998: 273: 28438 – 28443. ⁵Ikegami M et al. Am J Physiol 2000: 279: L468-L476. ⁶Wert SE et al. Proc Natl Acad Sci USA 2000: 97: 5972 – 5977. ⁷Yoshida M et al. J Immunol 2001: 166: 7514 – 7519. ⁸Atochina EN et al. Am J Respir Cell Mol Biol 2004: 30: 271 – 279. ⁹Trapnell BC, Whitsett JA. Annu Rev Physiol 2002: 64: 775 – 802. ¹⁰Trapnell BC et al. N Engl J Med 2003: 349: 2527 – 2539. ¹¹Ochs M et al. Am J Respir Crit Care Med 2004: 169: 120 – 124.