Signaling and Adhesive Mechanisms in Acute Pancreatitis

Abstract: Popular Abstract in Swedish Akut bukspottkörtelinflammation, akut pankreatit (AP), är en sjukdom med varierande kliniska presentationer; från en mild och ödematös, till en svår och nekrotiserande form. Ungefär 75% av patienter med AP utvecklar en mild, självbegränsande sjukdom, men hos resten av patienterna progredierar sjukdomen till en svår form och dödligheten är så hög som 30% i denna grupp av patienter. I dag finns det ingen specifik behandling av AP, men stödjande behandling och vätskerehydrering ges och tros förbättra prognosen. Avsaknaden av en specifik terapi mot AP beror delvis på en ofullständig förståelse av de basala sjukdomsmekanismerna som leder till sjukdomen. Även om den exakta patofysiologin är oklar anses prematur aktivering av bukspottkörtelenzymet trypsinogen redan i bukspottkörtelns (pankreas) acinära celler, och inflammation med rekrytering av vita blodkroppar (leukocyter) representera viktiga mekanismer vid AP. Vid initieringen av AP aktiveras trypsinogen till trypsin av det lysosomala enzymet cathepsin B. Aktivt trypsin aktiverar andra proenzymer och initierar de inflammatoriska signalvägarna vid AP. CXC kemokiner, och framför allt, CXCL2 spelar en avgörande roll för att aktivera leukocyter och att styra deras infiltration och rörelse mot inflammationshärden. Leukocytrekryteringen möjliggörs även av specifika molekyler som gör att leukocyterna saktar ner (rullar) och fastnar (adhererar) på kärlväggens endotel för att slutligen migrera igenom kärlväggen till den inflammerade vävnaden. Vilka exakta molekyler som styr denna process vid AP har hittills varit okänt. Syftet med studierna i denna avhandling är att bidra med kunskap för att bättre kunna förstå patofysiologin vid AP och att möjliggöra insikter som kan leda till en effektiv terapi vid AP. För detta syfte hypotetiserade vi att signalerings och adhesionsmekanismer är speciellt viktiga för sjukdomsförloppet. För att utforska dessa hypoteser utfördes 5 studier med en reproducerbar, kliniskt relevant modell för AP där gallsalt (Taurocholat, 5%, 10 µl på 10 minuter) injiceras i pankreasgången. För att bestämma sjukdomens svårighetsgrad 24 timmar efter induktionen togs blodprov och vävnad från pankreas och lunga, som analyserades avseende bukspottkörtelenzymet amylas, mängd av aktiverade leukocyter (myeloperoxidas, MPO), CXCL2 nivåer, histologisk pankreasskada och leukocytinfiltration och trypsinogenets aktiveringspeptid (TAP). Ytterligare vävnad sparades och analyserades för andra parametrar vilka beskrivs i detalj i material och metodavsnittet. I den första studien undersöktes betydelsen av två medlemmar i Toll familjen, nämligen Toll like receptor (TLR) 2 och 4, vilka spelar en avgörande roll vid initiering av det ospecifika immunförsvaret. För detta användes TLR2 och TLR4 genmodifierade möss. Vi fann att frånvaro av TLR4 genen skyddade mössen från AP utlöst inflammation i pankreas, jämfört med icke genmodifierade möss. Möss utan uttryck av TLR2 genen skilde sig däremot inte från kontrollmöss som injicerats med taurocholat. Aktivering av trypsinogen skilde sig inte mellan någon av grupperna (TLR2 och TLR4 modifierade möss samt kontroll möss). Således kan modulering av TLR4 men inte TLR2 vara ett användbart sätt att behandla patienter med AP. I den andra studien analyseras betydelsen av adhesionsmolekylen lymfocyt function antigen-1 (LFA-1) för leukocytrekrytering och vävnadsskada vid AP. För att klargöra detta använde vi både genmodifierade möss utan LFA-1 uttryck och antikroppar riktade mot LFA-1. Vi fann att utslagning av LFA-1 genom genmodifiering eller genom antikroppsbehandling orsakade mindre leukocytrekrytering till pankreas och även mindre vävnadsskada. Genom att studera leukocyterna i pankreas venoler med intravital mikroskopi på sövda möss med AP, klargjordes att frånvaro av LFA-1 funktion orsakade mindre adhesion till kärlväggen. Leukocyternas rullning var däremot oförändrad. Dessutom fann vi att trypsinogen aktivering var oberoende av LFA-1 funktion vid A. Sammanfattningsvis visar resultaten av den andra studien att LFA-1 är den dominerande adhesionsmolekylen som medierar leukocytrekrytering vid AP och att trypsinogenaktivering inte var beroende av LFA-1 funktionen vid AP. I det tredje arbetet undersöks betydelsen av matrix metalloproteinaser (MMPs), och speciellt MMP-9, för patofysiologin och neutrofil medierad trypsinogen aktivering vid AP. För att undersöka denna mekanism användes bredspektrum MMP hämmaren batimastat (BB-94) och (take away en) genmodifierade möss med avsaknad av MMP-9 uttryck. Vi fann att förbehandling med BB-94 signifikant minskade vävnadsskada, leukocytrekrytering och TAP bildning vid AP. Dessutom var möss utan MMP-9 uttryck skyddade från taurocholat inducerad vävnadsskada och leukocytrekrytering. Experiment gjorda på pankreas acinära celler visade att MMP-9 som utsöndrats från neutrophila leukocyter kan aktivera trypsinogen. Sammanfattningsvis visar resultaten i det tredje arbetet att MMP-9, som utsöndrats från neutrofila leukocyter, kan orsaka trypsinogen aktivering och vävnadsskada vid AP. I det fjärde arbetet hypotetiserade vi att intra-cellulär Rho-kinas signalering spelar en nyckelroll för patofysiologin vid AP. För att undersöka detta användes en selektiv Rho-kinas hämmare (Y-27632), 30 minuter innan induktion av AP. Detta ledde till signifikant minskad vävnadsskada, leukocytrekrytering och trypsinogenaktivering på ett dosberoende sätt. Dessutom minskades trypsinfrisättning från stimulerade acinära celler när Rho-kinas hämmades. Om Y-27632 tillfördes 2 timmar efter taurocholatinfusion sågs emellertid ingen effekt på de studerade parametrarna. Således kan inhibering av Rho-kinas signalering vara användbart som förebyggande behandling för patienter som genomgår ERCP och riskerar att drabbas av ERCP utlöst AP, men inte som behandling för patienter med pågående AP. I det femte arbetet studeras effekten av intra-cellulär NFAT signalering vid sjukdomsutvecklingen vid AP. NFAT är framför allt viktig då den styr gentranskription och därmed vilka processer som ska sättas igång i cellen. NFATs betydelse för AP är aldrig studerad tidigare. Genom att använda NFAT-luciferas möss kunde NFAT aktivitet mätas och vi fann att den var förhöjd både lokalt i pankreas och systemiskt i andra organ efter taurocholatinfusion. Denna ökning reverseras vid farmakologisk NFAT blockad. Vi fann även att farmakologisk hämning av NFAT signifikant minskade vävnadsskada, CXCL2 nivåer, leukocytrekrytering och trypsinogen aktivering vid AP. Dessa resultat upprepades då AP inducerades på genmodifierade möss, med avsaknad av NFATc3 uttryck. Cellförsök med acinära celler visade att blockad av NFAT minskade trypsinogen aktivering och att NFAT c3 förflyttas till cellkärnan vid aktivering. Vi konkluderar att NFAT signalering är en viktig mekanism i patofysiologin vid AP och att påverkan på NFAT signalering kan vara sätt att behandla patienter med AP i framtiden. I sin helhet visar våra nya resultat att signallerings och adhesionsmekanismer kan vara användbara mål för att utveckla terapeutiska strategier för behandling av AP.