Publikation: Improvement of animal models of COPD and identification of new therapeutic intervention principles therein
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Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is one of the major causes of morbidity and mortality worldwide. It is listed as the fourth leading cause of death and is projected to be the third by 2020. COPD is characterised by chronic infiltration of inflammatory cells especially neutrophils into the lungs followed by pulmonary tissue destruction. Exacerbations, a major cause of mortality, represent a serious burden in COPD management and are most commonly triggered by viral or bacterial infections. The underlying pathomechanism of COPD is still poorly understood. Therefore, the need for suitable in vivo models is crucial for the investigation of the pathogenesis and for the characterisation of new COPD treatment options. The first aim of this thesis was to examine new approaches to mimic COPD-like changes in vivo by combining different inflammatory stimuli. Furthermore, there is still a large unmet medical need for anti-inflammatory therapy of COPD. Thus, a second aim of this work was to investigate new treatment strategies for COPD by using anti-inflammatory drugs for known but non-COPD indications.
The first part of this thesis describes the improvement of murine models for COPD. In order to establish a model for acute exacerbations, different approaches with diverse inflammatory stimuli such as lipopolysaccharide (LPS), cigarette smoke (CS) or poly (I:C) were used alone or in combinatorial setups. The combination of 4 days of CS exposure with a single poly (I:C) challenge on day 4, proved to be the most suitable approach for modelling exacerbations in mice. This combination had additive effects on the induction of neutrophil infiltration in the lung compared to the single stimuli. However, poly (I:C) challenge alone induced a higher increase of cytokines in the lung than the combination of CS and poly (I:C). Thus, it is assumed that by combining both stimuli, a mixed inflammatory process developed, composed of chronologically diverse time points within an inflammatory process. In conclusion, the combination of constant CS exposure and repeated poly (I:C) challenge would be a suitable approach to create a short- to mid-term model for COPD with exacerbations.
The second part of the thesis focuses on the investigation of new therapeutic intervention principles for COPD. Anti-inflammatory drugs for non-COPD indications were characterised for their beneficial effects on neutrophilia in the acute CS mouse model. Statins, PPARγ agonists and cannabinoid receptor agonists showed no efficacy on the CS-induced neutrophilia. In contrast, the non-selective sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor agonist FTY720 was highly effective in reducing neutrophilia and total cell levels in the lung of CS-exposed mice. Similar results were observed for the S1P1-specific receptor agonist CYM5442. Furthermore, the putative anti-inflammatory mode of action of FTY720 was examined. Neither pulmonary vascular barrier function nor lymphocyte trafficking seemed to be involved in the mode of action of FTY720 or CYM5442 in the acute CS model. In contrast, S1P receptor agonism resulted in an increase in apoptotic cells in the lung, increased the number of neutrophils in the blood and reduced levels of the neutrophil chemoattractant KC in the lung. In conclusion, the anti-inflammatory mechanism of FTY720 in CS-induced neutrophilia might provide a new intervention principle for the therapy of COPD.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist die vierthäufigste Todesursache weltweit und wird in den nächsten Jahren weiter stark an Bedeutung gewinnen. Die wichtigsten Charakteristika von COPD sind die Einwanderung von Entzündungszellen (vorrangig Neutrophile) in die Lunge, sowie die Zerstörung des Lungengewebes. Exazerbationen stellen oft ein erhöhtes Todesrisiko für COPD-Patienten dar. Ausgelöst werden sie meist durch viral oder bakteriell verursachte Entzündungen. Der zugrunde liegende Pathomechanismus ist noch immer nicht vollständig aufgeklärt. Daher sind in vivo-Modelle unerlässlich für die Erforschung des Pathogeneseprozesses und die Identifizierung neuer Behandlungsstrategien für COPD. Die erste Zielstellung dieser Arbeit war es neue in vivo-Modelle zu entwickeln, mit denen sich COPD-ähnliche Veränderungen im Tier nachbilden lassen. Es besteht großer Therapiebedarf für die antiinflammatorische Behandlung von COPD. Im zweiten Teil dieser Thesis wurden deshalb unterschiedliche antiinflammatorische Substanzen für bekannte, nicht-COPD Indikationen in einem akuten Rauch-Maus-Modell getestet.
Der erste Teil der Thesis beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung eines COPD-Mausmodells. Für die Entwicklung eines Mausmodelles für akute Exazerbationen bei COPD wurden unterschiedliche entzündliche Substanzen wie Lipopolysaccharid (LPS), Zigarettenrauch (CS) und Poly (I:C) allein oder in Kombination angewendet. Dabei stellte sich die Kombination von 4 Tagen CS Exposition mit einmaliger Poly (I:C)-Gabe an Tag 4 als bester Ansatz heraus, um Exazerbationen in Mäusen hervorzurufen. Bei diesem Kombinationsansatz konnte, verglichen mit den Einzelstimuli, eine Erhöhung der Neutrophilie festgestellt werden. Im Gegensatz dazu, führte die alleinige Gabe von Poly (I:C) zu einem höheren Anstieg der Zytokinkonzentrationen in der Lunge als die Kombination aus Rauch und Poly (I:C). Daher lässt sich vermuten, dass durch die Kombination von CS und Poly (I:C) eine gemischte Entzündung entsteht, welche unterschiedliche Zeitpunkte eines Entzündungsprozesses beinhaltet. Die Kombination von kontinuierlicher Rauchexposition und wiederholter Poly (I:C)-Gabe könnte daher einen guten Ansatz zur Weiterentwicklung eines kurz- bis mittelfristigen Exazerbations-Tiermodells für COPD darstellen.
Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Untersuchung neuer Therapieansätze zur Behandlung von COPD. Hierbei konnte für Statine, PPARγ-Agonisten und Cannabinoidrezeptor-Agonisten keine Wirkung auf die Neutrophilie im akuten CS-Modell nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu war der Sphingosin-1-Phosphat (S1P) Rezeptoragonist FTY720 hochwirksam und führte zur Reduzierung der Neutrophilenzahl in den Lungen CS-exponierter Mäuse. Ähnliche Resultate konnten mit dem S1P1-spezifischen Rezeptoragonist CYM5442 beobachtet werden. Außerdem wurden mögliche zugrunde liegende Mechanismen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass weder die Stärkung der endothelialen Barrierefunktion in der Lunge, noch die Regulierung der Lymphozytenzirkulation beteiligt zu sein schienen. Andererseits resultierte der S1P Rezeptoragonismus in einer Erhöhung apoptotischer Zellen in der Lunge, einer Zunahme Neutrophiler im Blut und der Senkung des Neutrophilen-Chemokines KC in der Lunge. Daher könnte der antiinflammatorische Mechanismus von FTY720 in der CS-induzierten Neutrophilie eine neue Strategie in der Behandlung von COPD darstellen.
Fachgebiet (DDC)
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ISO 690
SYNWOLDT, Peggy, 2012. Improvement of animal models of COPD and identification of new therapeutic intervention principles therein [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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It is listed as the fourth leading cause of death and is projected to be the third by 2020. COPD is characterised by chronic infiltration of inflammatory cells especially neutrophils into the lungs followed by pulmonary tissue destruction. Exacerbations, a major cause of mortality, represent a serious burden in COPD management and are most commonly triggered by viral or bacterial infections. The underlying pathomechanism of COPD is still poorly understood. Therefore, the need for suitable in vivo models is crucial for the investigation of the pathogenesis and for the characterisation of new COPD treatment options. The first aim of this thesis was to examine new approaches to mimic COPD-like changes in vivo by combining different inflammatory stimuli. Furthermore, there is still a large unmet medical need for anti-inflammatory therapy of COPD. Thus, a second aim of this work was to investigate new treatment strategies for COPD by using anti-inflammatory drugs for known but non-COPD indications.<br /><br /><br /><br />The first part of this thesis describes the improvement of murine models for COPD. In order to establish a model for acute exacerbations, different approaches with diverse inflammatory stimuli such as lipopolysaccharide (LPS), cigarette smoke (CS) or poly (I:C) were used alone or in combinatorial setups. The combination of 4 days of CS exposure with a single poly (I:C) challenge on day 4, proved to be the most suitable approach for modelling exacerbations in mice. This combination had additive effects on the induction of neutrophil infiltration in the lung compared to the single stimuli. However, poly (I:C) challenge alone induced a higher increase of cytokines in the lung than the combination of CS and poly (I:C). Thus, it is assumed that by combining both stimuli, a mixed inflammatory process developed, composed of chronologically diverse time points within an inflammatory process. In conclusion, the combination of constant CS exposure and repeated poly (I:C) challenge would be a suitable approach to create a short- to mid-term model for COPD with exacerbations.<br /><br /><br /><br />The second part of the thesis focuses on the investigation of new therapeutic intervention principles for COPD. Anti-inflammatory drugs for non-COPD indications were characterised for their beneficial effects on neutrophilia in the acute CS mouse model. Statins, PPARγ agonists and cannabinoid receptor agonists showed no efficacy on the CS-induced neutrophilia. In contrast, the non-selective sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor agonist FTY720 was highly effective in reducing neutrophilia and total cell levels in the lung of CS-exposed mice. Similar results were observed for the S1P1-specific receptor agonist CYM5442. Furthermore, the putative anti-inflammatory mode of action of FTY720 was examined. Neither pulmonary vascular barrier function nor lymphocyte trafficking seemed to be involved in the mode of action of FTY720 or CYM5442 in the acute CS model. In contrast, S1P receptor agonism resulted in an increase in apoptotic cells in the lung, increased the number of neutrophils in the blood and reduced levels of the neutrophil chemoattractant KC in the lung. 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