German Title: Rolle des epithelialen Cl- Kanals SLC26A9 im murinen Atemwegsepithel

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Abstract

The alternative chloride channel SLC26A9, member of the SoLute Carrier 26 family, has been genetically involved in the pathogenesis of airway mucus obstruction in CF, allergic disease and diffuse non-CF bronchiectasis, supporting a potential role of SLC26A9 as a modifier in muco-obstructive lung diseases. Furthermore, in vivo experiments in a mouse model of Th2-driven airway disease revealed that SLC26A9-mediated chloride secretion is critical to prevent airway mucus obstruction, supporting the potential contribution of SLC26A9 to airway surface hydration in the airway epithelium. These findings support SLC26A9 as a promising therapeutic target in CF to potentially bypass the impaired CFTR-mediated chloride secretion. Nevertheless, the in vivo role of SLC26A9 under physiological conditions remains unclear. Hence, in this work, the function of SLC26A9 was investigated in a developmental manner (newborn, juvenile and adult stage) by characterizing the pulmonary phenotype of Slc26a9-/- mice. Furthermore, we evaluated how the genetic deletion of Slc26a9 changes the mortality rate of βENaC-Tg mice, which is a mouse model of CF-like lung disease. Newborn Slc26a9-/- mice displayed severe acute respiratory distress due to muco-inflammatory phenotype leading to significant mortality. The mucus plugging of the newborn Slc26a9-/- mice was extended throughout the whole respiratory tree. The experiments also demonstrated that airway mucus plugging limits ventilation in newborn Slc26a9-/- mice and trigger neutrophil-mediated inflammation probably via epithelial hypoxic necrosis releasing IL-1α. Interestingly, this muco-obstructive phenotype was not observed at the juvenile and adult stage. However, neutrophilic inflammation persists up to adulthood in the lungs of surviving Slc26a9-/- mice, but trends to decrease over time, suggesting that surviving Slc26a9-/- mice resolve the initial muco-inflammatory phenotype. By monitoring the double mutant βENaC-Tg/Slc26a9-/- mice and littermate controls, it was determined that the deletion of Slc26a9 increases the mortality of βENaC-Tg mice. In summary, the data demonstrate for the first time that SLC26A9-mediated Cl-/fluid secretion is particularly relevant for lung health at birth. These findings suggest a critical role of SLC26A9 to maintain airway surface hydration and mucus clearance at the air-breathing adaptation period. The longitudinal characterization of the Slc26a9-/- mice revealed an age-dependent resolution of the initial muco-inflammatory phenotype. However, the implications of this airway disease resolution process on the pathogenesis of muco-obstructive lung diseases, including CF is not yet clear. Furthermore, the modification of survival in βENaC-Tg/Slc26a9-/- mice, implicates that Slc26a9 might impact the lung phenotype in a pathophysiological context. Finally, unravelling the understanding of SLC26A9 function in the pathogenesis of muco-obstructive lung diseases may lead to improve non-CFTR directed therapies for patients with CF.

Translation of abstract (German)

Der alternative Cl- Kanal SLC26A9, Mitglied der SoLute Carrier 26 Proteinfamilie, wird als wichtiger genetischer Modulator in der Pathogenese der muko-obstruktiven Lungenerkrankung wie Mukoviszidose (CF), allergischen Erkrankungen und diffusen Non-CF-Bronchiektasien diskutiert. In-vivo-Experimente an einem Mausmodell mit induzierter Th2-Inflammationbelegen, dass SLC26A9 die SLC26A9-vermittelte Chloridsekretion entscheidend ist, um eine Obstruktion des Atemwegsschleims zu verhindern, was den möglichen Beitrag von SLC26A9 zur Oberflächenhydratation der Atemwege im Atemwegsepithel unterstützt. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von SLC26A9 als vielversprechende therapeutische Zielstruktur und Krankheits“modifikator“, um die durch eine Mutation von CFTR verringerte Cl- Leitfähigkeit auszugleichen und den Mukustransport in Patienten mit CF und auch möglicherweise anderen muko-obstruktiven Lungenerkrankungen zu verbessern. Dennoch ist die Rolle von SLC26A9 unter physiologischen Bedingungen in vivo wenig verstanden. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Funktion von SLC26A9 longitudinal untersucht, indem der pulmonale Phänotyp von Slc26a9-/- Mäusen charakterisiert wurde. Darüber hinaus wurde evaluiert, inwiefern die genetische Deletion von Slc26a9 die Mortalität vom βENaC-Tg Mäusen, die eine CF- ähnliche Lungenerkrankung aufweisen, beeinflusst. Neugeborene Slc26a9-/- Mäuse wiesen aufgrund des muko-entzündlichen Phänotyps eine schwere akute Atemnot auf, die zu einer signifikanten Mortalität führte. Das Muko-obstruktion in den neugeborenen Slc26a9-/- Mäusen war in der gesamten Lunge. Die Experimente zeigten auch, dass die Muko-obstruktion die Ventilation bei neugeborenen Slc26a9-/- Mäusen einschränkt und eine durch Neutrophile-vermittelte Entzündung auslöst, etwa über eine epitheliale hypoxische Nekrose, die IL-1α freisetzt. Interessanterweise wurde dieser muko-obstruktive Phänotyp im Jugend- und Erwachsenenstadium nicht beobachtet. Die neutrophile Entzündung bleibt jedoch in der Lunge überlebender Slc26a9-/- Mäuse bis zum Erwachsenenalter bestehen. Die Entzündungsparameter nehmen jedoch im Laufe der Entwicklung ab, was darauf hindeutet, dass überlebende Slc26a9-/- Mäuse den anfänglichenmuko-entzündlichen Phänotyp überwinden. Das Monitoring der doppelmutanten βENaC-Tg/Slc26a9-/- Mäuse- ergab, dass die Deletion von Slc26a9 die Mortalität von βENaC-Tg-Mäusen signifikant erhöht. Zusammenfassend zeigen die Daten erstmals, dass die SLC26A9-vermittelte Cl-/sekretion für die Lungengesundheit bei der Geburt besonders relevant ist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass SLC26A9 eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Flüssigkeitszufuhr auf der Atemwegsoberfläche und der mukoziliäre Clearance bei der Anpassung an die Atmung spielt. Die longitudinale Charakterisierung der Slc26a9-/- Mäuse ergab eine altersabhängige Auflösung des initialen muko-inflammatorischen Phänotyps. Die Auswirkungen dieses Auflösungsprozesses für Atemwegserkrankungen auf die Pathogenese von mukoobstruktiven Lungenerkrankungen, einschließlich CF, sind jedoch noch nicht klar. Weiterhin deuten die Ergebnisse daraufhin, dass die Deletion von SLC26A9 im CF-Mausmodell die Mortalität weiter erhöht und SLC26A9 damit im pathogenetischen Kontext von mukoobstruktiven Lungenerkrankungen relevant ist. Schließlich könnte die Aufklärung der Funktion von SLC26A9 bei der Pathogenese von mukoobstruktiven Lungenerkrankungen zu einer Verbesserung der nicht-CFTR-gerichteten Therapien für Patienten mit CF führen.