Μελέτη του ρόλου των μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών (BMPs) στην παθοφυσιολογία του άσθματος

Abstract

Signaling by Bone Morphogenetic Proteins (BMP) has been implicated in the regulation of early lung development, adult lung homeostasis and tissue injury repair. However, the precise mechanism of action, the actualcellular targets and the spatio-temporal pattern of BMP signaling during these processes remainsinadequately described. In order to address this, we have utilized a transgenic mouse line harboring a BMP responsive eGFP reporter allele (BRE-eGFP) toconstruct the first detailed spatiotemporal map of canonical BMP pathway activation during lung development, homeostasis and adult lung injury/repair. Our studies demonstrate that during the pseudoglandular stage, when branching morphogenesis progresses in the developing lung, canonical BMP pathway is active mainly in the vascular network and the sub-epithelial smooth muscle layer of the proximal airways. Activation of the BMP pathway becomes evident in epithelial compartments of the lung only after E14.5 primarily in cells negative for epithelial lineage markers, located in the proximal portion of the airway tree and clusters adjacent to neuro-epithelial-bodies (NEBs), and in a substantial portion of immature alveolar epithelial cells. Epithelial cells with activated BMP pathway are highly enriched in progenitors capable of forming colonies in three-dimensional Matrigel cultures. As lung morphogenesis approaches completion, eGFP-expression declines and in adult lung its expression is barely detectable. However, upon tissue injury, either with naphthalene or bleomycin, the canonical BMP pathways is re-activated, in bronchial or alveolar epithelial cells respectively, ina manner reminiscent of early lung development and in tissue areas where reparatory progenitor cells reside. Our studies illustrate the dynamic activation of canonical BMP pathway during lung development and adult lung tissue repair and highlight involvement of this pathway in two important processes, namely, the early development of the pulmonary vasculature and the management of epithelial progenitor pools both during lung development and repair of adult lung tissue injury.

Η υπερ-οικογένεια του Αυξητικού Παράγοντα Μεταμόρφωσης-β (TGF-β) περιλαμβάνει περισσότερα από 40 μέλη που εμπλέκονται σε πληθώρα βιολογικών διεργασιών τόσο κατά την ανάπτυξη όσο και την ομοιόσταση του οργανισμού. Προηγούμενες μελέτες έχουν συσχετίσει τις Μορφογενετικές Πρωτεΐνες των Οστών (BMPs) και την Ακτιβίνη-A με την ανάπτυξη και την παθολογία του πνεύμονα. Ωστόσο, αρκετά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα σχετικά με τον ακριβή ρόλο των παραπάνω των μορίων στις προαναφερθείσες διεργασίες. Τα πρώτο τμήμα της εργασίας πραγματεύεται το ρόλο της σηματοδότησης των BMPs κατά την ανάπτυξη και επιδιόρθωση ιστολογικών βλαβών στον ενήλικο ιστό. Η μελέτη στηρίζεται στη χρήση μίας διαγονιδιακής σειράς ποντικού που εκφράζει το Πράσινη Φθορίζουσα Πρωτεΐνη (eGFP) υπό τον έλεγχο ενός συνθετικού υποκινητή που αποκρίνεται στη σηματοδότηση των BMPs, ώστε αρχικά να χαρτογραφήσει το χωρο-χρονικό και κυτταρο-ειδικό πρότυπο ενεργοποίησης των BMPs κατά την ανάπτυξη και επιδιόρθωση του πνεύμονα αλλά και να απαντήσει ερωτήματα σχετικά με το βιολογικό ρόλο των BMPs σε αυτές τις διεργασίες. Συνοψίζοντας, από τα ευρήματα της παρούσας διατριβής συμπεραίνεται ότι η σηματοδότηση των BMPs διαδραματίζει πολύ πιο πολύπλοκο και δυναμικό ρόλο στη ανάπτυξη του πνεύμονα απ’ ότι πιστεύαμε μέχρι τώρα, καθώς παρατηρήθηκε ενεργή σηματοδότηση στο αγγειακό ενδοθήλιο, το στρώμα των Λείων Μυϊκών κυττάρων που επενδύουν του αεραγωγούς, το βρογχικό και κυψελιδικό επιθήλιο. Η ανάλυση του βιολογικού ρόλου των BMPs στην ανάπτυξη του πνεύμονα πραγματοποιήθηκε με in vitro πειράματα που επιβεβαίωσαν (i) τον αναπόσπαστο ρόλο των BMPs στην ανάπτυξη του αγγειακού δικτύου του πνεύμονα διότι η παρεμπόδιση της σηματοδότησης των BMPs με τη χρήση εκλεκτικών αναστολέων σε Ε12 εμβρυϊκούς πνεύμονες παρεμπόδισε τη ανάπτυξη του αγγειακού ενδοθηλίου και (ii) στη διατήρηση του προγονικού χαρακτήρα των επιθηλιακών κυττάρων του οργάνου περιορίζοντας τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίησή τους, καθώς η απομόνωση και καλλιέργεια των eGFP+ επιθηλιακών κυττάρων του πνεύμονα κατέδειξε την αυξημένη τους ικανότητα να σχηματίζουν αποικίες επιθηλιακών κυττάρων. Τέλος, προτείνεται κάποιος σημαντικός ρόλος των BMPs στην λειτουργία των επιδιορθωτικών μηχανισμών του ενήλικου οργάνου καθώς ενεργή σηματοδότηση παρατηρήθηκε μετά την πρόκληση βλάβης με Ναφθαλένιο και Μπλεομυκίνη στο ενήλικο όργανο όπου φυσιολογικά η σηματοδότηση έχει περιοριστεί σημαντικά. Το δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής αναφέρεται σε τμήμα των αποτελεσμάτων της εργασίας με τίτλο «Η υπερ-έκφραση της Ακτιβίνης-Α προκαλεί παθολογία που προσομοιάζει το Σύνδρομο Οξείας Πνευμονικής Δυσχέρειας (ARDS)» και παρουσιάζει τις επιπτώσεις της έκτοπης υπερ-έκφρασης της Ακτιβίνης-Α στην ομοιόσταση του πνεύμονα ενήλικων ποντικών. Συγκεκριμένα, η Ακτιβίνη-Α (i) προκαλεί αύξηση της έκφρασης του HMGB1, ενός παράγοντα κινδύνου που εμπλέκεται στη δημιουργία ενός προ-φλεγμονώδους περιβάλλοντος το οποίο συμβάλει στην παθολογία νόσων όπως η σήψη και το ARDS, και (ii) προκαλεί μείωση της έκφρασης των Σουρφακτανών C, B και Α στο πνευμονικό παρέγχυμα, το οποίο είναι ικανό να προκαλέσει παθολογία στον πνεύμονα.