Interleukin-13 induziert einen Amilorid-insensitiven Wassertransport in humanen Trachealepithelzellen

Das Atemwegsepithel bildet eine Barriere gegen aerogene Krankheitserreger und Schadstoffe. Die apikale Oberfläche ist von einem dünnen Flüssigkeitsfilm bedeckt, der als airway surface liquid (ASL) bezeichnet wird. Die exakte Regulation des ASL-Volumens ist essentiell für die regelrechte Funktion des respiratorischen Sytems. Wichtige Mechanismen hierbei sind die Natriumresorption über amiloridsensitive epitheliale Natriumkanäle (ENaC) sowie die CFTR vermittelte Chloridsekretion. Interleukin-13 (IL-13) spielt eine zentrale Rolle bei der chronischen Inflammation allergischer Atemwegserkrankungen. Es wurde gezeigt, dass IL-13 zu einer erhöhten Chloridsekretion im Atemwegsepithel führt. Daher wurde IL-13 als Induktor eines pro-sekretorischen epithelialen Phänotyps beschrieben. Der tatsächliche Zusammenhang zwischen Veränderungen der Ionenkanäle und dem transepithelialen Wassertransports bei chronischer IL-13-Exposition ist jedoch nicht ausreichend verstanden. In der vorliegenden Studie untersuchten wir die Wirkung von IL-13 auf den Ionentransport, die ASL-Regulation und den Wassertransport in humanen Trachealepithelzellen (hTEpC).

hTEpC wurden als air-liquid-interface differenziert, anschließend erfolgte in einem Teil der Epithelien eine IL-13-Exposition für 10 Tage. Ussing-Kammer-Experimente zeigten einen Rückgang des amiloridsensitiven Kurzschlussstroms (ISC) und einen Anstieg des CFTR- und TMEM16A-vermittelten ISC in IL-13-Epithelien. Passend hierzu führte die IL-13-Exposition zu einer Reduktion der mRNA-Level der β- und γ-ENaC-Untereinheiten und einem Anstieg der Expression von CFTR und TMEM16A. ASL-Volumen und Wassertransportraten wurden mittels der Deuteriumoxiddilutionsmethode bestimmt. Das ASL-Volumen war in IL-13-Epithelien mit 0,65(0,80–0,25) μl/0,33cm² niedriger im Vergleich zu 0,98(1,81–0,35) μl/0,33cm² (Median (Range)) in den Kontrollepithelien (p=0,007, Mann-Whitney-Test, n=12). Die kompensatorische Wasserresorption nach ASL-Erhöhung mit isotonischer NaCl-Lösung war in IL-13-Epithelien im Vergleich zu den Kontrollepithelien signifikant erhöht, mit Resorptionsraten von 0,86(1,12–0,81)/(h*0,33 cm²) und 0,54(0,72–0,29) μl/(h*0,33 cm²) (Median (Range)) (p<0,0001, Mann-Whitney-Test, n=18). Die IL-13 induzierten Veränderungen des ASL-Volumens und der Resorptionsraten wurden durch Blockade der JAK/STAT6 vermittelten IL-13-Signaltransduktion durch dem JAK-Inhibitor Tofacitinib aufgehoben. Die Inhibition des ENaC mit Amilorid verringerte die Resorption um 45% in den Kontrollepithelien, jedoch nur um 11% in IL-13-Epithelien. Die pharmakologische Inhibition von Chlorid- und Calciumkanälen wirkte sich nicht auf die Resorption in IL-13-Epithelien aus. Jedoch führte Gadolinium (Gd3+), das als Inhibitor mechanosensitiver Ionenkanäle bekannt ist, in IL-13-Epithelien zu einer Abnahme der Resportionsrate auf Kontrollniveau. Die Hemmung mechanosensitiver Ionenkanäle mit GsMTx4 wirkte sich nicht auf die Wasserresorption aus. Dies deutet auf einen anderen Gd3+-abhängigen Mechanismus hin, der die Wasserresorption in IL-13-exponierten Epithelien antreibt. Ussing-Kammer-Experimente bestätigten einen erhöhten Gd3+-sensitiven ISC-Anteil in IL-13-Epithelien gegenüber Kontrollepithelien.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass IL-13 trotz pro-sekretorischer Ionentransportveränderungen zu einem reduzierten ASL-Volumen und einer erhöhten Wasserresorptionskapazität am Atemwegsepithel führt. Im Gegensatz zu Kontrollepithelien ist die Resorption nur geringfügig amiloridsensitiv, scheint jedoch von einem Gd3+-sensitiven Mechanismus abzuhängen.

Publication History

Article published online:
28 February 2025