煙吸入損傷気道上皮バリアのイオン輸送機構の解明

Ion transport mechanisms for smoke inhalation-injured airway epithelial barrier.

• Jianjun Chang
• Zaixing Chen
• Runzhen Zhao
• Hong-Guang Nie
• Hong-Long Ji

抄録

煙の吸入による傷害は、消防士や犠牲者の死因の第一位である。吸入された熱気と有毒煙は、呼吸器上皮にとって優勢な危険因子である。我々は、熱ストレスと煙のアルデヒドが気道上皮バリアの透過性に及ぼす影響を解析することを目的とした。マウス気管上皮単分子膜の経上皮抵抗(R)と短絡電流(I)をUssing chamber setupでデジタル化した。Zonula occludens-1タイトジャンクションを共焦点顕微鏡下で可視化した。細胞生存率試験とフルオレセインイソチオシアネート-デキストランアッセイを行った。熱ストレス(40℃)はRを二段階的に減少させた。一方、熱ストレスはIを増加させ、その後減少した。Na枯渇、アミロリド(上皮Naチャネル阻害剤)、オウアバイン(Na/K-ATPase阻害剤)、CFTRinh-172(嚢胞性線維症膜貫通制御因子CFTR阻害剤)は、熱ストレスに対するRとIの応答を変化させることがわかった。40℃の定常状態では、ENACs、Na/K-ATPase、CFTRの活性が上昇した。熱ストレスとアクロレインの相乗効果は単分子膜の損傷を悪化させた。以上のことから，熱ストレスとアクロレインによる気道上皮バリア障害には，タイトジャンクションを媒介とする傍細胞経路と，能動的・受動的なイオン輸送経路を媒介とする細胞間経路が関与していることが示唆された。グラフィカル・アブストラクト 熱ストレスとアクロレインは、煙の吸入による気道上皮バリアを損傷する2つの重要な決定因子である。ENaC、CFTR、Na/K-ATPase を介した細胞内イオン輸送経路は、熱ストレスと最も強力な煙害物質の 1 つであるアクロレインの両方によって阻害される。熱とアクロレインは、タイトジャンクションを抑制して再配置することで、気道上皮の完全性に損傷を与えます。

Smoke inhalation injury is the leading cause of death in firefighters and victims. Inhaled hot air and toxic smoke are the predominant hazards to the respiratory epithelium. We aimed to analyze the effects of thermal stress and smoke aldehyde on the permeability of the airway epithelial barrier. Transepithelial resistance (R) and short-circuit current (I) of mouse tracheal epithelial monolayers were digitized by an Ussing chamber setup. Zonula occludens-1 tight junctions were visualized under confocal microscopy. A cell viability test and fluorescein isothiocyanate-dextran assay were performed. Thermal stress (40 °C) decreased R in a two-phase manner. Meanwhile, thermal stress increased I followed by its decline. Na depletion, amiloride (an inhibitor for epithelial Na channels [ENaCs]), ouabain (a blocker for Na/K-ATPase), and CFTRinh-172 (a blocker of cystic fibrosis transmembrane regulator [CFTR]) altered the responses of R and I to thermal stress. Steady-state 40 °C increased activity of ENaCs, Na/K-ATPase, and CFTR. Acrolein, one of the main oxidative unsaturated aldehydes in fire smoke, eliminated R and I. Na depletion, amiloride, ouabain, and CFTRinh-172 suppressed acrolein-sensitive I, but showed activating effects on acrolein-sensitive R. Thermal stress or acrolein disrupted zonula occludens-1 tight junctions, increased fluorescein isothiocyanate-dextran permeability but did not cause cell death or detachment. The synergistic effects of thermal stress and acrolein exacerbated the damage to monolayers. In conclusion, the paracellular pathway mediated by the tight junctions and the transcellular pathway mediated by active and passive ion transport pathways contribute to impairment of the airway epithelial barrier caused by thermal stress and acrolein. Graphical abstract Thermal stress and acrolein are two essential determinants for smoke inhalation injury, impairing airway epithelial barrier. Transcellular ion transport pathways via the ENaC, CFTR, and Na/K-ATPase are interrupted by both thermal stress and acrolein, one of the most potent smoke toxins. Heat and acrolein damage the integrity of the airway epithelium through suppressing and relocating the tight junctions.