Charakterisierung von Bürstenzellen in verschiedenen Abschnitten der menschlichen Atemwege

Abstract

In der vorgelegten Arbeit wurde das Vorkommen von Bürstenzellen (BC) und ihre Lagebeziehung zu Neuroendokrinen Zellen (NEC) bzw. Nervenfasern in den unteren Atemwegen in Gewebe von fünf Körperspendern untersucht, um funktionelle BC-Subtypen zu identifizieren. Für die indirekten (Doppel)-Immunfluoreszenz-Analysen wurden der BC-Strukturmarker Doublecortin-likekinase 1 (DCAMKL1), der für chemosensorische Zellen spezifische Transkriptionsfaktor POU-class-2-homeobox-3 (POU2F3), das in die Acetylcholin-Synthese involvierte Enzym Cholinacetyltransferase (ChAT) und die beiden für NEC/neuronale Zellen spezifischen Marker Calcitonin-gene-related-peptide (CGRP) und protein-gene-product 9.5 (PGP9.5) verwendet.

Die primär sterilen Atemwege sind der Invasion durch Pathogene und Stäube ausgesetzt. Bürstenzellen (BC) wurden in Tiermodellen als Bestandteil der Immunabwehr der Atemwege klassifiziert. BC fungieren als Wächterzellen des respiratorischen Epithels, sie vermitteln direkte Abwehrmechanismen, wie die Steigerung der mukoziliären Clearance und die Senkung der Atemfrequenz, lösen aber auch eine zelluläre Immunantwort aus. Daran beteiligt sind parakrine Mechanismen und die Stimulation nahe gelegener Nervenfasern. BC exprimieren Geschmacksrezeptoren. Die bei der bakteriellen Besiedelung gebildeten Quorum sensing Moleküle lösen in den BC eine Geschmackssignalkaskade aus. Vereinzelte Studien beim Menschen belegen ein Vorkommen dieser Zellen in den oberen Atemwegen, jedoch ohne ihre Funktion zu klassifizieren. In der vorliegenden Studie wurde das Vorkommen von BC und ihre Lagebeziehung zu Neuroendokrinen Zellen (NEC) bzw. Nervenfasern in den unteren Atemwegen in Gewebe von fünf Körperspendern untersucht, um funktionelle BC-Subtypen zu identifizieren. Für die indirekten (Doppel)-Immunfluoreszenz-Analysen wurden der BC-Strukturmarker Doublecortin-likekinase 1 (DCAMKL1), der für chemosensorische Zellen spezifische Transkriptionsfaktor POU-class-2-homeobox-3 (POU2F3), das in die Acetylcholin-Synthese involvierte Enzym Cholinacetyltransferase (ChAT) und die beiden für NEC/neuronale Zellen spezifischen Marker Calcitonin-gene-related-peptide (CGRP) und protein-gene-product 9.5 (PGP9.5) verwendet. Die BC-spezifischen Marker DCAMKL1 und POU2F3 zeigten keinen überlappenden Markierungen mit PGP9.5 positiven Zellen. Bei dem Vergleich der Expression von POU2F3 und DCAMKL1 traten neben doppeltmarkierten Zellen zahlreiche ausschließlich POU2F3-positive Zellen im oberen trachealen Bereich auf. Auch die DCAMKL1- und ChAT-Expression zeigte Überschneidungen, jedoch kamen zusätzlich ausschließlich ChAT-positive Zellen in der Trachea und in den Hauptbronchien vor. Mittels Doppelmarkierung von ChAT und PGP9.5 ließ sich nachweisen, dass es sich bei diesen ChAT-positiven Zellen nicht um NEC handelte. cGRP-positive Nervenfasern kontaktierten DCAMKL1-positive Zellen, teilweise wurden auch doppeltpositive Zellen detektiert. Die Ergebnisse der Immunfluoreszenz-Untersuchung belegen die Existenz unterschiedlicher BC-Subpopulationen in den einzelnen Abschnitten der Atemwege. Diese BC stehen teilweise in engem Kontakt zu Nervenfasern und NEC. Die möglichen unterschiedlichen Funktionen dieser BC-Subpopulationen sollten in Folgestudien analysiert werden.

The primarily sterile airways are daily exposed to pathogens and dust. In animal models, brush cells (BC) have been classified as part of the immune defense mechanism of the respiratory tract. BC function as sentinels of the respiratory epithelium, they trigger direct defense mechanisms such as, for instance, the increase of mucociliary clearance as well as the decrease of the respiratory rate. Furthermore, they are able to initiate cellular immunresponses. This happens via paracrine mechanisms and via stimulation of nearby nerve fibers. BC express taste receptors. Quorum-sensing molecules that occur during bacterial colonization trigger the taste signalling cascade in BC. Previous examinations demonstrated the presence of BC in the upper airway without description of functional parameters. The localization of BC and their connection to neuroendocrine cells (NEC) or nerve fibers in the lower respiratory tract was determined in five body donors by indirect (double)-immunofluorescence, in order to identify functional BC subtypes. The presence of BC was assessed using the following markers: Doublecortin-like-kinase 1 (DCAMKL1), the chemosensory-cellspecific transcription factor POU-class-2-homeobox-3 (POU2F3), choline acetyltransferase (ChAT) involved in acetylcholine production and two NEC- specific markers Calcitonin-generelated- peptide (CGRP) and protein-gene-product 9.5 (PGP9.5). The BC-specific markers DCAMKL1 and POU2F3 showed no overlap with PGP9.5-positive cells. Comparing the POU2F3 and DCAMKL1 expression pattern, despite some double-stained cells, exclusively POU2F3-positive cells occurred in the upper tracheal region. Furthermore, DCAMKL1 and ChAT double-stained cells were found exclusively in the trachea and in the main bronchi. The double-staining of ChAT and PGP9.5 proved, that ChAT-positive cells could not be classified as NEC. CGRP-positive nerve fibers contacted DCAMKL1-positive cells, additionally, an overlap of CGRP- and DCAMKL1-positive cells could be found. The results of these immunological analyses demonstrated the presence of different BC subpopulations in distinct regions of the respiratory tract. To some extend, BC showed close contact to nerve fibers or NEC. Whether distinct BC subpopulations in various parts of the airways have different functional roles need to be addressed in future studies.