Exposição de pequenos animais à hiperóxia: um modelo para estudo do papel do músculo liso na hiper reactividade brônquica = Hyperoxia - a model to syudy the role of airway smooth muscle on bronchial hyperresponsiveness

Revista Portuguesa de Pneumologia. VIII(3): 223-235.

Repercussões crónicas nas vias aéreas da hiperóxia neonatal : modelo experimental

RESUMO: O objectivo deste trabalho foi avaliar se a exposição crónica neonatal à hiperóxia mo-derada induz alterações funcionais e estruturais persistentes nas vias aéreas. Desenvolveu-se um modelo animal, no rato, a partir do qual se retiraram implicações para a compreensão das repercussões crónicas da hiperóxia neonatal sobre as vias aéreas de displasia broncopulmonar (DBP), em duas fases distintas: imediatamente após a exposi-ção neonatal a 50%O2 (grupo 50%O2) e após três semanas de recuperação em ar ambiente (grupo 50%O2+Ar).Compararam-se os resultados da resposta do músculo liso de traqueia (MLT) à esti-mulação in vitro com metacolina e salbutamol e avaliaram-se as alterações quantitativas da área de MLT, bem como as alterações qualitativas da estrutura da traqueia. Demonstrou-se que a exposição a 50% de oxigénio não tinha repercussões imediatas sobre a resposta in vitro do MLT à estimulação colinérgica, mas que induzia um aumento do relaxamento em resposta ao salbutamol. A contractilidade do MLT em resposta à estimula-ção com metacolina no grupo 50%O2+Ar foi significativamente superior à do grupo de con-trolo da mesma idade e também superior à observada no grupo 50%O2, enquanto que a resposta ao salbutamol se voltou a aproximar dos valores de controlo após a recuperação em normóxia. Não se observaram diferenças estatisticamente significativas na área de MLT entre os grupos experimental e de controlo, o que se deve provavelmente ao número reduzido de amostras avaliadas e à variabilidade deste parâmetro no grupo de controlo; contudo, verifi-cou-se um aumento médio de 15% imediatamente após a exposição à hiperóxia que persis-tiu após o período de recuperação.As alterações qualitativas sobre a arquitectura da traqueia, avaliadas por microscopia óptica, revelaram no grupo 50%O2 aumentos da espessura da matriz extracelular e da den-sidade de mastócitos desgranulados na submucosa e adventícia vizinhas do MLT, sem outras alterações relativamente ao grupo de controlo com 15 dias. As alterações da matriz extrace-lular foram reversíveis após a recuperação em ar ambiente. A densidade de mastócitos per-maneceu superior à do grupo de controlo de 36 dias de idade, apresentando-se em maior contiguidade com o MLT relativamente ao grupo 50%O2. Em síntese, demonstrou-se que a hiperóxia neonatal crónica em níveis moderados in-duz alterações da resposta contráctil do MLT e da estrutura da traqueia que podem ter ex-pressão funcional após a exposição ter cessado. Assim, o contributo original do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo animal que permite avaliar os mecanismos pelos quais a hiperóxia é capaz de induzir, isoladamente, alterações crónicas da contracti-lidade, do relaxamento do ML e da estrutura das vias aéreas que podem ser responsáveis pela HRB persistente em doentes sujeitos a oxigenioterapia neonatal.-------------ABSTRACT: The aim of this work was to evaluate whether chronic neonatal exposure to hyperoxia in-duces persistent structural and functional airway changes. An animal model was developed, using neonatal rats, in order to understand the chronic effects of neonatal hyperoxia on the airways, in bronchopulmonary dysplasia, in two distinct phases: immediately after neonatal exposure to 50%O2 (50%O2 group) and after three weeks of recovery at ambient air (50%O2+Ar group).The results from the tracheal smooth muscle (TSM) response to in vitro stimulation with metacholine and salbutamol were compared and quantitative changes in TSM area, as well as qualitative changes in tracheal structure were evaluated. It was demonstrated that while exposure to 50% oxygen had no immediate effects on in vitro TSM response to cholinergic stimulation, it induced an increase in relaxation as a result of salbutamol administration. TSM contractility as a result of methacholine administration in the 50%O2 + Ar group was significantly higher than that of the same-age control group, and also higher than the one observed in the 50%O2 group, whereas the response to salbutamol admini-stration was once again closer to the control values after recovery in normoxia. There were no statistically significant differences in the TSM area between the experi-mental and control groups, which is most likely due to the reduced number of samples evalu-ated and to the variability of this parameter in the control group. However, there was an aver-age increase of 15% immediately after exposure to hyperoxia, which persisted after the recov-ery period. Qualitative changes in tracheal architecture, evaluated by optic microscopy, revealed that the 50%O2 group suffered an increase in the thickness of the extracellular matrix and degranu-lated mast cell density in the submucosa and adventitia adjacent to the TSM, without further changes when compared with the control group at 15 days of age. The changes in extracellular matrix were reversible after recovery in ambient air. Mast cell density remained higher than that of the control group at 36 days of age, and more contiguous to TSM than the 50%O2 group. In conclusion, it has been demonstrated that moderate levels of chronic neonatal hyperoxia in-duce changes in TSM contractile response and tracheal structure, which may be functionally ex-pressed after discontinuation of exposure. Therefore, the original contribution of the present work was the development of an animal model which allows the evaluation of the mechanisms through which hyperoxia alone can induce chronic changes in contractility and relaxation of SM and also in airway structure that can be responsible for the persistent airway hyperrespon-siveness found in patients who were submited to neonatal oxygen therapy.

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.