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Zellphysiologie
Das Alveolarepithel in Hypoxie
Der Gasaustausch zwischen Einatmungsluft und Blut erfolgt über die alveoläre Barriere der Lunge. Alveolarflüssigkeit wird absorbiert um die Diffusionsbarriere für die Atemgase so dünn wie möglich zu halten.
(A) Kapillardruck, die Permeabilität der alvelären Brriere und die alveoläre Reabsorption bestimmen dei alveoläre Flüssigkeitsbilanz
(B) die isolierte perfundierte Rattenlunge
(C) alveolärer NA-transport, NaCl und Wasserabsorption
Die Flüssigkeitsresorption ist an den aktiven Transport von Na gekoppelt. Die Na-Aufnahme in die Zelle erfolgt über apikale epitheliale Na-Kanäle. Basolateral wird Na durch die Na/K-ATPase aus der Zelle transportiert. Chlorid folgt dem elektro-chemischen Gradienten. Der so entstandene osmotische Gradient treibt die Resorption von Wasser. Die Aktivität des Transports wird durch Hormone (u.a. Steroide, Adrenalin) und freie Radikale geregelt.
Hypoxie am Alveolarepithel hemmt die Na- und Wasserresorption in der Lunge. Damit kann eine vermehrte Flüssigkeitsfiltration (erhöhter Kapillardruck, erhöhte Permeabilität) nicht mehr kompensiert werden. Damit stellt die Hypoxie-bedingte Hemmung der Resorption in der Lunge einen wesentlichen Pathomechanismus der Entstehung hypoxischer, alveolärer Ödeme (z.B. in ALI, ARDS, Höhenlungenödem).
Unsere Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis der zellulären Anpassung des Alveolarepithels an Hypoxie, der Entstehung, sowie der Verhinderung und Behandlung hypoxischer, alveolärer Ödeme durch Stimulierung der Flüssigkeitsresorption beitragen. Experimente werden an Modellen des Alveolarepithels und am hypoxie-exponierten Menschen durchgeführt.
Alveolarepithel
Untersuchungen werden an kultivierten Alveolarepithelzellen (primäre A2-Zellen der Rattenlunge, Lungenendothelzellen, etablierte Zellinien), an der isoliert-perfundierten Rattenlunge, und an in-situ-Tiermodellen durchgeführt um die Flüssigkeitsresorption sowie die Aktivität und Expression von Ionentransportern (Na/K-ATPase, epitheliale Ionenkanäle) und die Mechanismen der Signaltransduktion (Hormone und ihre Rezeptoren, freie Radikale) sowie Parameter des Zellstoffwechsels und der Funktion von Mitochondrien zu bestimmen.
Methoden: Messung der Flüssigkeits- und Na-Reabsorption in der Lunge; Tracer-Flux, Ussing Kammer und Patch Clamp Messungen der Transportaktivität; fluoreszenz- und confokal-mikroskopische Techniken zur Messung von Konzentrationen von Ionen (Ca2+, Na+, H+), von freien Radikalen und des Membranpotentials; Bestimmung der mRNA-Expression mittels RT-PCR; Bestimmung der Protein Expression mittels Western Blots; Messung der zellulären und mitochondrialen Stoffwechselaktivität; Produktion von freien Radikalen mittels Chemilumineszenz und ESR; Rezeptor-Liganden-Bindung, G-Protein-Interaktionen, cAPM, cGMP.
Menschen in Hypoxie
Probanden werden in Hypoxie in großer Höhe oder in normobarer Hypoxie im Labor exponiert um Hypoxie-Effekte auf den Ionentransport in vivo zu untersuchen, und zu testen, ob der Ionentransport durch spezifische Behandlung zur Verhinderung des hypoxischen Lungenödems stimuliert werden kann, und um herauszufinden, ob ein Defekt im Ionentransport zur Anfälligkeit zum hypoxischen Lungenödem beiträgt.
In-vivo wird der Ionentransport als die Potential Differenz über das Nasenepithel mit elektro-physiologischen Methoden oder als Aktivität des Transports an Leukozyten gemessen. Die Protein- und mRNA-Expression von Ionentransportern, Enzymen und Hormonrezeptoren wird in Leukozyten bestimmt.
(A) Höhenlungenödem-Anfällige haben ein niedrigeres Nasenpotential bereits in Normoxie und Hypoxie hemmt den Na-Transport
Hallo
(B) Dexamethason stimuliert die alveoläre Flüssigkeitsresorption (AFC) in Normoxie und Hypoxie
(C) Prophylaxe mit Dexamethason und Tadalafil verhindert das Höhenlungenöde
Projekte
- Regelung des Flüssigkeitshaushalts und Ionentransports am Alveolarepithel in Hypoxie
- Signaltransduktion in Hypoxie: Glukokortikoide, G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Zellstoffwechsel, Sauerstoffradikale in Hypoxie
Sauerstoffradikal-abhängige Genexpression, Zellfunktion
Zellvolumenabhängige Regelung des Ionentransports
Publikationen
Mairbäurl H, Mayer K, Kim KJ, Borok Z, Bärtsch P and Crandall ED.
Hypoxia decreases active Na transport across primary rat alveolar epithelial cell monolayers.
Am J Physiol Lung Cell Molec Physiol 282: L659-L665, 2002.
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Mairbäurl H, Weymann J, Möhrlein A, Swenson ER, Maggiorini M, Gibbs JSR and Bärtsch P.
Nasal epithelium potential difference at high altitude (4559 m): evidence for secretion.
Amer J Respir Crit Care Med 167: 862-867, 2003.
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Heerlein,K. et al.
Hypoxia decreases cellular ATP demand and inhibits mitochondrial respiration of A549 cells.
Am.J.Resp.Cell Molec.Biol. 32:44-51, 2005
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Dehler M, Zessin E, Bärtsch P, Mairbäurl H.
Hypoxia causes permeability edema in the constant-pressure perfused rat lung.
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Maggiorini M, Brunner-La Rocca H, Peth S, Fischler M, Böhm T, Bernheim A, Kiencke S, Bloch KE, Dehnert C, Naeije R, Lehmann T, Bärtsch P, Mairbäurl H.
Both tadalafil and dexamethasone may reduce the incidence of high-altitude pulmonary edema.
Ann Internal Med 145:497-506; 2006.
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Peth S, Karle C, Dehnert C, Bartsch P, Mairbäurl H.
K+ channel activation with minoxidil stimulates nasal-epithelial ion transport and blunts exaggerated hypoxic pulmonary hypertension.
High Alt Med Biol 7(1):54-63; 2006.
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Reviews
Bärtsch P, Mairbäurl H, Maggiorini M, Swenson ER.
Physiological aspects of high-altitude pulmonary edema.
J Appl Physiol 98(3):1101-10; 2005.
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Mairbäurl H.
Role of alveolar epithelial sodium transport in high altitude pulmonary edema (HAPE).
Respir Physiol Neurobiol 151:178-91; 2006.
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