Einfluss der Bürstenzellen auf die mukoziliäre Clearance im menschlichen respiratorischen Epithel der Trachea

Abstract

Die Trachea ist ein Schlüsselorgan des Atmungssystems, das für die Leitung, Erwärmung und Befeuchtung der Atemluft verantwortlich ist. Ihre Oberfläche ist mit Flimmerhärchen und Schleim ausgekleidet, welche über die mukoziliäre Clearance effizient Fremdpartikel und Mikroorganismen entfernen. Bei Mäusen wurde gezeigt, dass die Bürstenzellen, welche mit dem Bittergeschmacksrezeptor TAS2R ausgestattet sind, eine zentrale Rolle bei der Regulation der mukoziliären Clearance darstellen. Sie reagieren auf Bitterstoffe und initiieren dadurch Schutzmechanismen, welche durch die Freisetzung von Acetylcholin initiiert werden. Dieses wirkt parakrin auf die zilientragenden Zellen und erhöht dadurch die Zilienschlagfrequenz, was zu einer gesteigerten mukoziliären Clearance führt. Bis dato ist nur wenig über die menschlichen Bürstenzellen in der Trachea bekannt und die einzigen Studien stammen aus den oberen Atemwegen. Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob die menschliche Bittergeschmacktransduktionskaskade ähnlich wie bei Mäusen cholinerg verläuft und ob diese Kaskade ebenso NO-abhängig ist, wie es zuvor von Lee et al. (2012) im nasalen Epithel nachgewiesen wurde.

Die Untersuchung der mukoziliären Clearance in murinem und menschlichem Trachealgewebe hat gezeigt, dass Bitterstoffe wie Denatonium und Chinin die Geschwindigkeit des Partikeltransports signifikant steigern können. Dieser Effekt konnte durch die Blockade von cholinergen und NO-Signalwegen mittels Atropin, Mecamylamin und L-Name aufgehoben werden. Diese Ergebnisse beschreiben erstmalig die entscheidende Bedeutung der cholinergen und NO-Signalwege in den Bürstenzellen bei der Regulierung der mukoziliären Clearance in der menschlichen Trachea. Zudem wurde die Beteiligung des TRPM5-Kanals durch den Einsatz des spezifischen Inhibitors TPPO überprüft, wobei keine Steigerung der Partikeltransportgeschwindigkeit nach der Stimulation durch Bitterstoffe festgestellt wurde. Dies beweist zum ersten Mal eine spezifische Funktion des TRPM5-Kanals für die Regulation der mukoziliären Clearance in der menschlichen Trachea.

Diese Befunde wurden unter standardisierten experimentellen Bedingungen erzielt und die Datenanalyse erfolgte mit Hilfe der Software GraphPad Prism. Die Untersuchung der Gewebestruktur und die Identifizierung von Bürstenzellen im Trachealgewebe wurden durch Hämatoxylin-Eosin-Färbung und immunhistochemische Analysen ermöglicht, wobei DCAMKL1 als spezifischer Marker für Bürstenzellen diente und deren Darstellung erlaubte.

Unsere Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Mechanismen der Regulation der mukoziliären Clearance in der menschlichen Trachea und unterstreichen die Rolle der Bürstenzellen darin. Sie erweitern unser Verständnis der körpereigenen Abwehrmechanismen gegen respiratorische Pathogene und könnten grundlegend neue therapeutische Ansätze zur Behandlung von Atemwegserkrankungen eröffnen, indem sie spezifische zelluläre Ziele für zukünftige pharmakologische Interventionen aufzeigen.

1.2 Englische Version Impact of Tuft Cells on Mucociliary Clearance in the Human Respiratory Epithelium of the Trachea The trachea is a key organ of the respiratory system, responsible for conducting, warming, and humidifying the inhaled air. Its surface is lined with cilia and mucus, which efficiently remove foreign particles and microorganisms through so-called mucociliary clearance driven by the active beat of the cilia. In mice, tuft cells equipped with the bitter taste receptors (e.g., TAS2R105/108) were shown to play a central role in regulating mucociliary clearance. They respond to bitter substances and initiate protective mechanisms that are induced by the release of acetylcholine. This acts on ciliated cells paracrinally, thereby increasing the frequency of the ciliary beating, leading to enhancement of the mucociliary clearance. To date, little is known about human tuft cells in the trachea, and the only studies come from the upper airways. The aim of this thesis was to determine whether the human bitter taste transduction cascade operates similarly to that in mice involving cholinergic signaling and whether this cascade is also NOdependent, as has previously been demonstrated by Lee et al. (2012) for the nasal epithelium. The investigation of mucociliary clearance in murine and human tracheal tissue showed that bitter substances such as denatonium and quinine could significantly increase the speed of particle transport. This effect was abolished by blocking cholinergic and NO signaling pathways upon application of atropine, mecamylamine, or L-Name, respectively. These results describe for the first time the central role of cholinergic and NO signaling pathways in human tuft cells in the regulation of mucociliary clearance. Furthermore, the involvement of the TRPM5 channels was assessed using a specific inhibitor, TPPO, where no increase in particle transport speed was observed after the stimulation by bitter substances. This shows for a first time a specific role for TRPM5 channels in the regulation of mucociliary clearance in the human trachea. These findings were obtained under standardized experimental conditions, and data analysis was conducted using GraphPad Prism software. The examination of tissue structures and the identification of tuft cells in the tracheal tissue were facilitated by hematoxylin-eosin staining and immunohistochemical analyses employing antibodies directed against the tuft cell marker DCAMKL1. These results provide new insights into the mechanisms of regulation of the mucociliary clearance in the human trachea and highlights the role of tuft cells in it. They expand our understanding of the body's defense mechanisms against respiratory pathogens and could potentially open up fundamentally new therapeutic approaches for treating respiratory diseases by identifying specific cellular targets for future pharmacological interventions.