Modulation of epithelial sodium channel (ENaC) expression in mouse lung infected with Pseudomonas aeruginosa

Affiliation: André Dagenais: Centre hospitalier de l'Université de Montréal/ Hôtel-Dieu, Département de médecine, Université de Montréal. Yves Berthiaume: Médecine et spécialités médicales, Faculté de médecine

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Étude des mécanismes psychophysiologiques de la modulation volontaire de la douleur par le biofeedback et la respiration.

Bien que la douleur soit une expérience subjective universelle, la façon de la percevoir et de l’interpréter est modulée par une multitude de facteurs. Plusieurs interventions cognitives se sont montrées efficaces pour réduire la douleur dans des conditions cliniques et expérimentales. Cette thèse s’intéressera particulièrement aux mécanismes psychophysiologiques impliqués dans les stratégies de modulation volontaire de la douleur. Ces stratégies sont intéressantes puisqu’elles encouragent une prise en charge par l’individu, lui permettant de jouer un rôle actif dans la régulation de sa douleur. La première étude s’intéresse à l’efficacité du biofeedback comme moyen de modulation volontaire de la douleur. Il s’agissait de déterminer si le fait de présenter une rétroaction de l’amplitude du réflex RIII (évoqué par une stimulation électrique du nerf sural) au cours d’un entraînement de plusieurs essais permettrait au participant d’adopter des stratégies de modulation de la douleur et d’activer volontairement des mécanismes de contrôle descendant de la douleur. De façon à évaluer spécifiquement les changements induits par le biofeedback, la modulation du réflexe RIII et de la douleur était comparée dans trois groupes (biofeedback valide, faux biofeedback et groupe contrôle sans rétroaction). Dans les trois groupes, il était suggéré aux participants d’utiliser des stratégies cognitives de modulation de la douleur (attention, modulation de la respiration, réévaluation cognitive et imagerie mentale) afin d’augmenter ou de diminuer leur réflexe RIII comparativement à leur niveau de base. Les résultats de notre étude indiquent que les participants des 3 groupes ont réussi à moduler leur réflexe RIII (p<0,001) ainsi que leurs évaluations de douleur (p<0,001) (intensité et désagrément). Les résultats de notre étude montrent que l’entraînement au biofeedback n’était pas nécessaire pour obtenir une modulation du réflexe RIII et de la douleur, ce qui suggère que l’utilisation de stratégies cognitives pourrait être suffisante pour déclencher des mécanismes de contrôle de la douleur. La deuxième étude découle de la première et s’intéressait à l’influence de la fréquence et de la phase respiratoire sur la nociception spinale, l’activité cérébrale et la perception de douleur. Le contrôle volontaire de la respiration est un moyen commun de régulation des émotions et est fréquemment utilisé en combinaison avec d’autres techniques (ex. : relaxation, méditation) dans le but de réguler la douleur. Les participants étaient invités à synchroniser leur respiration à des indices sonores indiquant le moment de l’inspiration et de l’expiration. Trois patrons de respiration étaient proposés (respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 4 secondes, respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 2 secondes et respiration à 0,2Hz avec une inspiration de 2 secondes. La moitié des stimulations étaient données durant l’inspiration et l’autre moitié durant l’expiration. Afin d’évaluer l’effet de ces manipulations, l’amplitude du RIII, l’évaluation subjective d’intensité de la douleur et de l’anxiété suscitée par le choc en plus des potentiels évoqués étaient mesurés. Les résultats de cette étude démontrent que les évaluations d’intensité de la douleur n’étaient pas affectées par le patron respiratoire (p=0,3), mais étaient statistiquement plus basses durant l’inspiration comparativement à l’expiration (p=0,02). Un effet de phase (p=0,03) était également observé sur les potentiels évoqués durant la condition de respiration à 0,1hHz avec une inspiration de 2 secondes comparativement au patron de respiration de 0,2Hz. Paradoxalement, l’amplitude du réflexe RIII était augmenté durant l’inspiration (p=0,02) comparativement à l’expiration. Ces résultats montrent que la manipulation de la fréquence et de la phase respiratoires (par une synchronisation imposée) a un effet marginal sur les évaluations de douleur et sur l’activité cérébrale et spinale évoquée par une stimulation électrique (douleur aigüe). Cela suggère que d’autres mécanismes contribuent aux effets analgésiques observés dans la relaxation et la méditation. Plus largement, nos résultats font état de la nécessité d’études plus approfondies avec une méthodologie plus rigoureuse afin de contrôler les effets non spécifiques aux traitements évalués. Une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant chaque stratégie permettrait de mieux cibler les clientèles susceptibles d’y répondre et de mieux considérer le ratio coût bénéfice de chaque traitement.

Modulation de la stabilité de l'ARNm alphaENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires : détermination du rôle des séquences 3' non traduites

Le transport actif de sodium par les cellules épithéliales alvéolaires est le principal mécanisme impliqué dans la régulation du niveau de liquide dans le poumon distal. Le canal épithélial sodique (ENaC) exprimé par les cellules épithéliales alvéolaires est essentiel à la résorption du liquide des poumons à la naissance ainsi que la résolution de l'œdème pulmonaire chez l'adulte. L'activité et l'expression du canal ENaC sont modulées par de nombreux stress pathophysiologiques. L'inflammation pulmonaire constitue un facteur important dans l'inhibition de l'expression du canal ENaC et pourrait favoriser la formation d'œdème pulmonaire. Nous avons précédemment démontré que différentes cytokines pro-inflammatoires, ainsi que les lipopolysaccharides (LPS) de Pseudomonas aeruginosa, inhibent l'expression de l'ARNm αENaC par des mécanismes de régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle. Ces résultats suggèrent que les mécanismes qui modulent la stabilité des ARNm αENaC pourraient jouer un rôle important dans la régulation du niveau d’expression du transcrit en condition inflammatoire. Le principal objectif de mes travaux était de caractériser les mécanismes de modulation de l’ARNm αENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires lors de différents stress pathophysiologiques et déterminer si cette modulation pouvait s’expliquer en partie par une régulation de la stabilité du transcrit. Mes travaux montrent que les LPS et la cycloheximide inhibent l’expression de l’ARNm αENaC de façon similaire via l’activation des voies de signalisation des MAPK ERK1/2 et p38. Cependant, les mécanismes de modulation de l’expression de l'ARNm αENaC sont différents puisque les LPS répriment la transcription du gène, alors que la cycloheximide diminuerait la stabilité du transcrit via des mécanismes post-transcriptionnels impliquant la région 3' non traduite (3'UTR) de l'ARNm αENaC. Pour mieux étudier le rôle du 3'UTR dans ce processus, nous avons développé un modèle Tet-Off nous permettant de mesurer la demi-vie de l’ARNm αENaC indépendamment de l’utilisation d’un inhibiteur de la transcription comme l'actinomycine D (Act. D). Nous avons montré que la demi-vie de l’ARNm αENaC était de 100min, un temps beaucoup plus court que celui rapporté dans la littérature. Nous avons démontré que l’Act. D a un effet stabilisateur important sur l’ARNm αENaC et qu’il ne peut être utilisé pour évaluer la stabilité du transcrit. À l’aide de différents mutants de délétion, nous avons entrepris de déterminer la nature des régions du 3’UTR impliquées dans la modulation de la stabilité du transcrit. Nous avons trouvé que le 3’UTR joue un rôle à la fois de stabilisation (région 3’UTR proximale) et de déstabilisation (région 3’UTR distale) du transcrit. Notre système nous a finalement permis de confirmer que la diminution de l’ARNm αENaC observée en présence de TNF-α s’expliquait en partie par une diminution importante de la stabilité du transcrit induite par cette cytokine. Enfin, nous avons identifié la nature des protéines pouvant se lier au 3’UTR de l’ARNm αENaC et déterminé lesquelles pouvaient moduler la stabilité du transcrit. Des trois protéines candidates trouvées, nous avons confirmé que la surexpression de DHX36 et TIAL1 diminue le niveau de transcrit par un mécanisme impliquant la stabilité du messager. Les travaux présentés ici montrent la complexité des voies de signalisation induites par différents stress sur les cellules épithéliales alvéolaires et montrent comment la stabilité de l’ARNm αENaC et en particulier, les séquences du 3’UTR jouent un rôle important dans la modulation du niveau de transcrit. Le modèle Tet-Off que nous avons développé permet d’estimer le temps de demi-vie réel de l’ARNm αENaC et montre que le 3’UTR du messager joue un rôle complexe dans la stabilisation du messager en condition de base ainsi qu’en condition pro-inflammatoire. Enfin, nous avons identifié deux protéines liant l’ARNm qui pourraient jouer un rôle important dans la modulation de la stabilité du transcrit.

La modulation du métabolisme cellulaire par l'E3 Ubiquitine Ligase MARCH-1

La relocalisation et la dégradation médiée par ubiquitination sont utilisées par la cellule pour contrôler la localisation et l’expression de ses protéines. L’E3 ubiquitine ligase MARCH1 est impliqué dans la régulation post-traductionnelle de CMH-II et de CD86. Dans ce mémoire, on propose un rôle additionnel à MARCH1. Nos résultats expérimentaux nous portent à croire que MARCH1 pourrait moduler le métabolisme cellulaire en favorisant la relocalisation et la dégradation d’enzymes impliquées dans la glycolyse. La grande majorité des cellules utilise la phosphorylation oxydative pour générer de l’ATP en présence d’oxygène. Dans un environnement hypoxique, cette dernière est non fonctionnelle et la cellule doit utiliser la glycolyse anaérobique pour produire son ATP. Une cellule cancéreuse à des besoins énergétiques supérieurs en raison de l’augmentation de sa biomasse et de sa prolifération incontrôlée. Pour subvenir à ces besoins, elle maximise sa production d’énergie en modifiant son métabolisme; c’est l’effet Warburg. On retrouve dans les cellules immunitaires des modifications similaires au métabolisme cellulaire suite à un signal d’activation. Ici, nous montrons que la respiration mitochondriale maximale, la réserve respiratoire et la glycolyse maximale sont diminuées dans les cellules présentatrice d’antigènes qui expriment MARCH1. Nous avons montré que MARCH1 était localisable au niveau de la mitochondrie, ce qui lui permet d’interagir avec les enzymes de la glycolyse. Finalement, nous avons quantifié l’expression de Eno1 et de LDHB par Western Blot, pour montrer une augmentation de l’expression de ces enzymes en absence de MARCH1. À la lumière de ces résultats, nous discutons des avantages que procure la diminution de l’expression de MARCH1 dans un contexte inflammatoire, suite à l’activation des cellules présentatrices d’antigènes. Ce phénomène permettrait une présentation antigénique plus efficace, une augmentation de la production d’énergie et une meilleure résistance aux ROS produits lors de la réponse inflammatoire.

Modulation of vaccine response by concomitant probiotic administration

Evidence suggests that probiotic bacteria modulate both innate and adaptive immunity in the host, and in some situations can result in reduced severity of common illnesses, such as acute rotavirus infection and respiratory infections. Responses to vaccination are increasingly being used to provide high quality information on the immunomodulatory effects of dietary components in humans. The present review focuses on the effect of probiotic administration upon vaccination response. The majority of studies investigating the impact of probiotics on responses to vaccination have been conducted in healthy adults, and at best they show modest effects of probiotics on serum or salivary IgA titres. Studies in infants and in elderly subjects are very limited, and it is too early to draw any firm conclusions regarding the potential for probiotics to act as adjuvants in vaccination. Although some studies are comparable in terms of duration of the intervention and age and characteristics of the subjects, most differ in terms of the probiotic selected. Further well designed, randomized, placebo-controlled studies are needed to fully understand the immunomodulatory properties of probiotics, whether the effects exerted are strain-dependent and age-dependent, and their clinical relevance in enhancing immune protection following vaccination.

Characterization of Paracoccidioides brasiliensis COX9, COX12, and COX16 respiratory genes

Paracoccidioides brasiliensis is a thermo-dimorphic fungus that is the causative agent of paracoccidioidomyicosis (PCM), a human systemic granulomatous mycosis found in Latin America. Dimorphic transition from mycelium to yeast is required for establishing pathogenicity. Dimorphism is marked by changes in mitochondrial physiology, including modulation of respiration rate. In this work, we present the identification of three P. brasiliensis nuclear genes PbCOX9, PbCOX12, and PbCOX16 that code for structural sub-units and a putative assembly facilitator (PbCOX16) of the mitochondrial cytochrome c oxidase (COX), the terminal enzyme complex of the respiratory chain. We measured their expression pattern during the dimorphic transition from mycelium to yeast and back by real-time reverse transcription quantitative polymerase chain reaction (real-time RT-qPCR). Our results show that messages from these genes increase during the mycelium to yeast transition and decrease during the opposite conversion. This result supports active mitochondrial participation in the transition. Heterologous complementation of the corresponding Saccharomyces cerevisiae null mutant with the PbCOX9 gene was successfully obtained. (C) 2008 The British Mycological Society. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Serotonergic mechanisms on breathing modulation in the rat locus coeruleus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Activation of the brain melanocortin system is required for leptin-induced modulation of chemorespiratory function

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Neurochemical and electrical modulation of the locus coeruleus: contribution to CO2drive to breathe

The locus coeruleus (LC) is a dorsal pontine region, situated bilaterally on the floor of the fourth ventricle. It is considered to be the major source of noradrenergic innervation in the brain. These neurons are highly sensitive to CO2/pH, and chemical lesions of LC neurons largely attenuate the hypercapnic ventilatory response in unanesthetized adult rats. Developmental dysfunctions in these neurons are linked to pathological conditions such as Rett and sudden infant death syndromes, which can impair the control of the cardio-respiratory system. LC is densely innervated by fibers that contain glutamate, serotonin, and adenosine triphosphate, and these neurotransmitters strongly affect LC activity, including central chemoreflexes. Aside from neurochemical modulation, LC neurons are also strongly electrically coupled, specifically through gap junctions, which play a role in the CO2 ventilatory response. This article reviews the available data on the role of chemical and electrical neuromodulation of the LC in the control of ventilation.

Dendrimer nanocarriers for transport modulation across models of the pulmonary epithelium

The purpose of this study was to determine the effect of PEGylation on the interaction of poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimer nanocarriers (DNCs) with in vitro and in vivo models of the pulmonary epithelium. Generation-3 PAMAM dendrimers with varying surface densities of PEG 1000 Da were synthesized and characterized. The results revealed that the apical to basolateral transport of DNCs across polarized Calu-3 monolayers increases with an increase in PEG surface density. DNC having the greatest number of PEG groups (n = 25) on their surface traversed at a rate 10-fold greater than its non-PEGylated counterpart, in spite of their larger size. This behavior was attributed to a significant reduction in charge density upon PEGylation. We also observed that PEGylation can be used to modulate cellular internalization. The total uptake of PEG-free DNC into polarized Calu-3 monolayers was 12% (w/w) vs 2% (w/w) for that with 25 PEGs. Polarization is also shown to be of great relevance in studying this in vitro model of the lung epithelium. The rate of absorption of DNCs administered to mice lungs increased dramatically when conjugated with 25 PEG groups, thus supporting the in vitro results. The exposure obtained for the DNC with 25PEG was determined to be very high, with peak plasma concentrations reaching 5 mu gmL(-1) within 3 h. The combined in vitro and in vivo results shown here demonstrate that PEGylation can be potentially used to modulate the internalization and transport of DNCs across the pulmonary epithelium. Modified dendrimers thereby may serve as a valuable platform that can be tailored to target the lung tissue for treating local diseases, or the circulation, using the lung as pathway to the bloodstream, for systemic delivery.

Can geometric indices of heart rate variability predict improvement in autonomic modulation after resistance training in chronic obstructive pulmonary disease?

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is associated with autonomic dysfunctions that can be evaluated through heart rate variability (HRV). Resistance training promotes improvement in autonomic modulation; however, studies that evaluate this scenario using geometric indices, which include nonlinear evaluation, thus providing more accurate information for physiological interpretation of HRV, are unknown. This study aimed to investigate the influence of resistance training on autonomic modulation, using geometric indices of HRV, and peripheral muscle strength in individuals with COPD. Fourteen volunteers with COPD were submitted to resistance training consisting of 24 sessions lasting 60 min each, with a frequency of three times a week. The intensity was determined as 60% of one maximum repetition and was progressively increased until 80% for the upper and lower limbs. The HRV and dynamometry were performed at two moments, the beginning and the end of the experimental protocol. Significant increases were observed in the RRtri (4·81 ± 1·60 versus 6·55 ± 2·69, P = 0·033), TINN (65·36 ± 35·49 versus 101·07 ± 63·34, P = 0·028), SD1 (7·48 ± 3·17 versus 11·04 ± 6·45, P = 0·038) and SD2 (22·30 ± 8·56 versus 32·92 ± 18·78, P = 0·022) indices after the resistance training. Visual analysis of the Poincare plot demonstrated greater dispersion beat-to-beat and in the long-term interval between consecutive heart beats. Regarding muscle strength, there was a significant increase in the shoulder abduction and knee flexion. In conclusion, geometric indices of HRV can predict improvement in autonomic modulation after resistance training in individuals with COPD; improvement in peripheral muscle strength in patients with COPD was also observed.

Distinct mechanisms underlie adaptation of proximal tubule Na+/H+ exchanger isoform 3 in response to chronic metabolic and respiratory acidosis

The Na+/H+ exchanger isoform 3 (NHE3) is essential for HCO3- reabsorption in renal proximal tubules. The expression and function of NHE3 must adapt to acid-base conditions. The goal of this study was to elucidate the mechanisms responsible for higher proton secretion in proximal tubules during acidosis and to evaluate whether there are differences between metabolic and respiratory acidosis with regard to NHE3 modulation and, if so, to identify the relevant parameters that may trigger these distinct adaptive responses. We achieved metabolic acidosis by lowering HCO3- concentration in the cell culture medium and respiratory acidosis by increasing CO2 tension in the incubator chamber. We found that cell-surface NHE3 expression was increased in response to both forms of acidosis. Mild (pH 7.21 +/- 0.02) and severe (6.95 +/- 0.07) metabolic acidosis increased mRNA levels, at least in part due to up-regulation of transcription, whilst mild (7.11 +/- 0.03) and severe (6.86 +/- 0.01) respiratory acidosis did not up-regulate NHE3 expression. Analyses of the Nhe3 promoter region suggested that the regulatory elements sensitive to metabolic acidosis are located between -466 and -153 bp, where two consensus binding sites for SP1, a transcription factor up-regulated in metabolic acidosis, were localised. We conclude that metabolic acidosis induces Nhe3 promoter activation, which results in higher mRNA and total protein level. At the plasma membrane surface, NHE3 expression was increased in metabolic and respiratory acidosis alike, suggesting that low pH is responsible for NHE3 displacement to the cell surface.

Periodic breathing during ascent to extreme altitude quantified by spectral analysis of the respiratory volume signal

High altitude periodic breathing (PB) shares some common pathophysiologic aspects with sleep apnea, Cheyne-Stokes respiration and PB in heart failure patients. Methods that allow quantifying instabilities of respiratory control provide valuable insights in physiologic mechanisms and help to identify therapeutic targets. Under the hypothesis that high altitude PB appears even during physical activity and can be identified in comparison to visual analysis in conditions of low SNR, this study aims to identify PB by characterizing the respiratory pattern through the respiratory volume signal. A number of spectral parameters are extracted from the power spectral density (PSD) of the volume signal, derived from respiratory inductive plethysmography and evaluated through a linear discriminant analysis. A dataset of 34 healthy mountaineers ascending to Mt. Muztagh Ata, China (7,546 m) visually labeled as PB and non periodic breathing (nPB) is analyzed. All climbing periods within all the ascents are considered (total climbing periods: 371 nPB and 40 PB). The best crossvalidated result classifying PB and nPB is obtained with Pm (power of the modulation frequency band) and R (ratio between modulation and respiration power) with an accuracy of 80.3% and area under the receiver operating characteristic curve of 84.5%. Comparing the subjects from 1(st) and 2(nd) ascents (at the same altitudes but the latter more acclimatized) the effect of acclimatization is evaluated. SaO(2) and periodic breathing cycles significantly increased with acclimatization (p-value < 0.05). Higher Pm and higher respiratory frequencies are observed at lower SaO(2), through a significant negative correlation (p-value < 0.01). Higher Pm is observed at climbing periods visually labeled as PB with > 5 periodic breathing cycles through a significant positive correlation (p-value < 0.01). Our data demonstrate that quantification of the respiratory volume signal using spectral analysis is suitable to identify effects of hypobaric hypoxia on control of breathing.

The Pneumococcal Polysaccharide Capsule and Pneumolysin Differentially Affect CXCL8 and IL-6 Release from Cells of the Upper and Lower Respiratory Tract

The polysaccharide capsule and pneumolysin toxin are major virulence factors of the human bacterial pathogen Streptococcus pneumoniae. Colonization of the nasopharynx is asymptomatic but invasion of the lungs can result in invasive pneumonia. Here we show that the capsule suppresses the release of the pro-inflammatory cytokines CXCL8 (IL-8) and IL-6 from the human pharyngeal epithelial cell line Detroit 562. Release of both cytokines was much less from human bronchial epithelial cells (iHBEC) but levels were also affected by capsule. Pneumolysin stimulates CXCL8 release from both cell lines. Suppression of CXCL8 homologue (CXCL2/MIP-2) release by the capsule was also observed in vivo during intranasal colonization of mice but was only discernable in the absence of pneumolysin. When pneumococci were administered intranasally to mice in a model of long term, stable nasopharyngeal carriage, encapsulated S. pneumoniae remained in the nasopharynx whereas the nonencapsulated pneumococci disseminated into the lungs. Pneumococcal capsule plays a role not only in protection from phagocytosis but also in modulation of the pro-inflammatory immune response in the respiratory tract.