Dehnung von Zellen der Lungenbläschen

Lungenbläschen (Alveolen) sind der Ort des Gasaustausches zwischen Luft und Blut. Während jeder Einatmung strömt Frischluft in die terminalen Atemwege, getrieben von der Erweiterung der Lunge. Die Lungenerweiterung ist begleitet von mechanischer Entfaltung und Deformation der Lungenbläschen inklusive des Alveolarepithels. Dies verursacht eine Dehnung (definiert als Längenveränderung) von Alveolarepithelzellen. Dehnung von Typ II Alveolarzellen ist ein wichtiger Stimulus für die Surfactant Freisetzung, wodurch die Lunge leicht dehnbar bleibt: Bereits 1959 wurde von Mead und Collier beobachtet, daß eine "steife Lunge" bei längerer mechanischer Beatmung mit kleinen Atemvolumina durch eine einzige große Einatmung behoben werden konnte. Auf der anderen Seite spielen Dehnung von Zellen und Zellmembranen in der Lunge auch eine wichtige pathophysiologische Rolle für den Beatmungs-indizierten Lungenschaden. Schließlich leisten physikalische Kräfte in der Lunge einen wichtigen Beitrag für die Erhaltung der Alveolararchitektur, indem sie Reifung, Differenzierung und Apoptose modulieren. Das Alveolarepithel der Lunge besteht aus zwei Zelltypen: Typ I und Typ II Zellen. Typ II Zellen kontrollieren die alveoläre Dehnbarkeit und die alveoläre Flüssigkeitsbalanz auf mehrfache Weise. Ihre Hauptfunktionen sind die Freisetzung von Surfactant und der aktive Elektrolyttransport. Freisetzung von Surfactant geschieht durch Exozytose, das heißt durch Fusion von Surfactant-enthaltenden Vesikeln, genannt "Lamelläre Körperchen", mit der Plasmamembran. Surfactant ist eine fettreiche, Lipoprotein-ähnliche Substanz, welche eine Barriere an der Luft- Flüssigkeits-Grenzschicht bildet, wodurch die Oberflächenspannung reduziert und die Einatmung erleichtert wird. Durch die Verwendung von neuen Methoden, die wir in unserem Labor entwickelt haben, wollen wir die zellulären/molekularen Mechanismen, durch die eine einzelne Dehnung von Alveolarzellen zur Freisetzung von Surfactant führt, untersuchen. Weiters sind diese Untersuchungen so gestaltet, daß erhebliche neue Erkenntnisse in die pathophysiologischen Mechanismen des Membranstresses bei Lungenüberdehnung gewonnen werden sollen. Wir streben danach, auf zellulärer Ebene jenes Ausmaß an Dehnung abzugrenzen, welches auf der einen Seite physiologisch wichtig ist für die Kontrolle der Sekretion, andererseits jedoch mit pathophysiologischen Antworten wie Versagen der Membranfunktion endet.

Ziel dieses Projekts war die Aufklärung von mechanischen Kräften, die bei der Freisetzung von pulmonalem Surfactant aus Typ II Zellen des Lungenalveolus involviert sind bzw. jene steuern. Typ II Zellen speichern Surfactant, eine Substanz aus Fetten und Eiweißen, in intrazellulären Vesikeln namens "Lamellärkörperchen" oder "lamellar bodies" (LBs). Surfactant wird in das Lumen des Lungenbläschens durch Exozytose, d.h. durch Fusion der LB Membran mit der Plasmamembran, freigesetzt. Dieser exozytotische Prozess ist für die Lungenfunktion, die Atmung und das Überleben fundamental, weil Surfactant durch die Herabsetzung der Oberflächenspannung an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht die Einatmung ermöglicht. Mechanische Kräfte, wie etwa eine einzige Zelldehnung im Rahmen eines tiefen Atemzugs, können tiefgreifende Effekte auf die Surfactantfreisetzung ausüben. In diesem Projekt haben wir Typ II Zellen aus der Ratten- und Mäuselunge isoliert und den exozytotischen Weg von Surfactant mit speziellem Fokus auf mechanische Kräfte, die die Vesikelfusion, die Fusionsporenexpansion und die Surfactantfreisetzung möglicherweise beeinflussen, untersucht. Wir bedienten uns dabei spezieller Fluoreszenztechniken, die wir in einem früheren FWF Projekt entwickelt hatten. Mit diesen Techniken gelang es uns, Surfactant und dessen Freisetzung aus Typ II Alveolarzellen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu visualisieren und messen. Im Verlauf dieses Projekts wurden die folgenden wesentlichen Ergebnisse erzielt: 1. Die Aufklärung basaler zellulärer Effekte von Zelldehnung auf Ca2+ Signaltransduktion und LB Fusion mit der Plasma Membran. 2. Entdeckung einer neuen Post-Fusions Signalkaskade auf dem Niveau einzelner fusionierter Vesikel. Diese Ergebnisse führten zu vielen wissenschaftlicher Aktivitäten, Auszeichnungen und Beförderungen. Darunter fallen mehrere Originalartikel in Peer-reviewed Journalen, eingeladene Plenarvorträge bei internationalen Kongressen, eingeladene Reviews bzw. Übersichtsartikel in angesehenen Top Journalen der Physiologie, ein Patent und - last but not least - Doktorarbeiten, eine Habilitation, und die Übersiedlung des Projektleiters von einer Universitätsdozentenstelle in Innsbruck, Österreich, auf eine Professorenstelle in Ulm, Deutschland. Weiters wurden Teile der Ergebnisse im Österreichischen Monatsblatt "Profil" publiziert. Die Ergebnisse und Errungenschaften dieses Projekts waren auch wesentliche Voraussetzungen für ein nachfolgendes EU Project (Pulmo-Net), welches durch den Projektleiter dieses Projekts koordiniert wird, sowie für ein Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Zahlreiche neue internationale wissenschaftliche und industrielle Kollaborationen (z.B. mit Boehringer Ingelheim) entstanden aus diesem Projekt.