Die Rolle der organischen Kationentransporter OCT1, OCT2 und OCT3 bei der Serotonin-induzierten Bronchokonstriktion der Maus

Abstract

Die Atemwege der Maus reagieren sowohl auf Serotonin (5-HT) als auch auf Acetylcholin (ACh) mit einer Konstriktion. Früheren Veröffentlichungen zufolge basiert die 5-HT-induzierte Bronchokonstriktion auf zwei verschiedenen Mechanismen. Einerseits über die direkte Stimualtion der 5-HT-Rezeptoren der Atemwege und andererseits indirekt über die Freisetzung von ACh [1]. Nach Moffatt et al. [3] erfolgt die 5-HT-induzierte Kontraktion der Mäusetrachea durch non-neuronale ACh-Freisetzung aus dem Trachealepithel. Lips et al. [8] zeigten kürzlich, dass die organischen Kationentransporter OCT1 und OCT2, die in einer Vielzahl von non-neuronalen Zellen und auch in den meisten respiratorischen Epithelzelltypen exprimiert werden, im Gegensatz zum OCT3 in vitro ACh transportieren. Basierend hierauf entstand die Hypothese, dass 5-HT neben der direkten Wirkung auch eine Freisetzung von ACh aus dem Atemwegsepithel via OCT induziert und somit eine Bronchokonstriktion auslöst. Zur Überprüfung dieser Hypothese diente die Videomorphometrie am Modell der vitalen Lungenschnittpräparationen (Precision-Cut Lung Slices, PCLS). An zwei OCT-defizienten Mäusestämmen, OCT1/2-/- und OCT3-/-, und dem korrespondieren Wildtyp (WT)-Mäusestamm wurde die Bronchokonstriktion und deren Inhibition durch Atropin (10-4 M), Corticosteron (10-6 M) und Quinin (10-4 M) untersucht. Zur Klärung der cholinergen Komponente der 5-HT-induzierten Bronchokonstriktion erfolgte zudem eine Versuchsreihe mit Muskarinrezeptor (MR)-2/3-defizienten Mäusen, die bekanntermaßen auf Stimulation durch Muskarin keine Bronchokonstriktion zeigen [15], und dem korrespondierenden WT. Muskarin (1 µM) führte in OCT1/2-/--Mäusen zu einer signifikant stärkeren Bronchokonstriktion als 5-HT (1 müM), wohingegen OCT3-/-- und WT-Bronchi im Vergleich zu OCT1/2-/--Bronchi eine schwächere Muskarin-induzierte Kontraktion aufwiesen. Die 5-HT-induzierte Bronchokonstriktion war, im Vergleich zum korrespondierenden WT, sowohl bei OCT-/-- als auch M2/3-/--Tieren, die auf cholinerge Stimulation nicht reagierten, unverändert. Der inhibitorische Effekt von Atropin (10-4 M) blieb in allen OCT-/--, WT- und sogar in MR2/3-/--Tieren bestehen. Corticosteron (10-6 M) hemmte in OCT1/2-/-- und WT-Mäusen signifikant die 5-HT-induzierte Bronchokonstriktion, während sich bei OCT3-/--Bronchi keine inhibitorische Wirkung des Glucocorticoids zeigte. Die innerhalb der vorliegenden Arbeit erfassten Daten widerlegen die ursprüngliche Hypothese einer Beteiligung von ACh an der 5-HT-induzierten Bronchokonstriktion, schließen aber eine OCT-vermittelte epitheliale ACh-Freisetzung in Folge eines anderen Stimulus als 5-HT nicht aus. Die Bronchonkonstriktion der MR2/3-defizienten Mäuse nach 5-HT-Applikation zeigt, dass ein anderer konstriktorischer Faktor als ACh durch 5-HT freigesetzt wird. Atropin (10-4 M) ist in dieser Dosierung als unspezifisch zu betrachten, da die Hemmung der 5-HT-induzierten Kontraktion sogar in MR2/3-/--Mäusen bestehen bleibt. Einen Hinweis auf das Vorhandensein einer epithelialen MR1- und OCT1/2-abhängigen Bronchodilatation durch Freisetzung einer relaxierenden Substanz liefert die verstärkte Reaktion der OCT1/2-/--Mäuse auf Muskarin. Die 5-HT-induzierte Bronchokonstriktion erfolgt, resultierend aus der gleich bleibenden und nicht, wie erwartet, verminderten Kontraktion der OCT1/2-/--Bronchi auf 5-HT, unabhängig von OCT1 und 2. 5-HT bewirkt auf zwei unterschiedlichen Wegen eine Kontraktion, nämlich indirekt über Freisetzung eines non-cholinergen konstriktorischen Faktors und direkt über Stimulation der 5-HT-Rezeptoren. Eine Hemmung dieses Mechanismus ist mit dem Glucocorticoid Corticosteron (1 µM) durch Blockade des OCT3 möglich, wodurch der OCT-Subtyp OCT3 indirekt an der 5-HT-induzierten Bronchokonstriktion beteiligt ist. A number of studies have shown that murine airways are responsive to serotonin (5-HT) and acetylcholine (ACh). In mice the effect of 5-HT-induced bronchoconstriction may be mediated by indirect mechanisms such as release of ACh [1]. Moffatt and coworkers suggested that constriction of the murine trachea evoked by 5-HT depends on ACh released from the epithelium [3]. Lips et al. [8] reported recently that OCT-subtypes OCT1, OCT2 and OCT3 are expressed in the ciliated respiratory epithelium of rats and showed that ACh is transported by OCT1 and OCT2, but not by OCT3. Hence, we suggested that 5-HT-induced bronchoconstriction is mediated by release of ACh from epithelial cells via OCTs. To address this issue we used videomicroscopy and digital imaging of precision-cut lung slices (PCLS) from wild-type mice, OCT3-deficient mice and OCT1/2 double-knockout mice. To assess the cholinergic component of the 5-HT induced bronchoconstriction we utilized muscarinic receptor 2/3 double-knockout mice, since bronchi of this strain are entirely unresponsive to cholinergic stimulation [15]. The absence of OCT1/2 had no significant effect on the 5-HT bronchoconstrictor response indicating that 5-HT-induced bronchoconstriction does not require the presence of OCT1 and 2. In all strains of wild-type mice, 5-HT (1 müM) caused a bronchoconstriction that slightly exceeded that evoked by muscarine (1 müM). However, this effect is not mediated by ACh, since 5-HT-induced bronchoconstriction was undiminished in muscarinic receptor MR2/3 double-knockout mice which were entirely unresponsive to muscarine. In OCT1/2-/- mice muscarine induced a bronchoconstriction that exceeded that caused by 5-HT indicating the existence of an OCT1/2 dependent release mechanism of a bronchodilatating factor. 5-HT-induced bronchoconstriction was nearly completely blocked by atropine (10-4 M), and this inhibitory effect persisted even in MR2/3-/- mice demonstrating the unspecificity of atropine at this dosage. Corticosterone (10-6 M) significantly reduced 5-HT-induced bronchoconstriction in wild-type mice and OCT1/2-/- mice whereas this inhibitory effect was entirely abolished in OCT3-/- mice. Collectively, these data demonstrate that 5-HT induces bronchoconstriction in mice by mediating release of an epithelium-derived constrictory factor which is not ACh and suggest the existence of a pulmonary OCT1- and M1 receptor-dependent pathway, which counteracts cholinergic bronchoconstriction. Furthermore, 5-HT-induced bronchoconstriction can be modified by corticosterone acting on OCT3, as demonstrated by its absence in OCT3-/- mice.