The role of cathepsin K in lung development and newborn chronic lung injury.

Abstract

Chronic lung diseases, specifically bronchopulmonary dysplasia (BPD), are still causing mortality and morbidity amongst newborn infants. High protease activity has been suggested to have a deleterious role in oxygen-induced lung injuries. Cathepsin K (CatK) is a potent protease found in fetal lungs, degrading collagen and elastin. We hypothesized that CatK may be an important modulator of chronic lung injury in newborn infants and neonatal mice.

First we measured CatK protein levels in repeated tracheal aspirate fluid samples from 13 intubated preterm infants during the first two weeks of life. The amount of CatK at 9-13 days was low in infants developing chronic lung disease. Consequently, we studied CatK mRNA expression in oxygen-exposed wild-type (WT) rats at postnatal day (PN) 14 and found decreased pulmonary mRNA expression of CatK in whole lung samples. Thereafter we demonstrated that CatK deficiency modifies lung development by accelerating the thinning of alveolar walls in newborn mice. In hyperoxia-exposed newborn mice CatK deficiency resulted in increased number of pulmonary foam cells, macrophages and amount of reduced glutathione in lung homogenates indicating intensified pulmonary oxidative stress and worse pulmonary outcome due to CatK deficiency. Conversely, transgenic overexpression of CatK caused slight enlargement of distal airspaces with increased alveolar chord length in room air in neonatal mice. While hyperoxic exposure inhibited alveolarization and resulted in enlarged airspaces in wild-type mice, these changes were significantly milder in CatK overexpressing mice at PN7. Finally, we showed that the expression of macrophage scavenger receptor 2 (MSR2) mRNA was down-regulated in oxygen-exposed CatK-deficient mice analyzed by microarray analysis.

Our results demonstrate that CatK seems to participate in normal lung development and its expression is altered during pulmonary injury. In the presence of pulmonary risk factors, like high oxygen exposure, low amount of CatK may contribute to aggravated lung injury while sustained or slightly elevated amount of CatK may even protect the newborn lungs from excessive injury. Besides collagen degrading and antifibrotic function of CatK in the lungs, it is obvious that CatK may affect macrophage activity and modify oxidative stress response. In conclusion, pulmonary proteases, specifically CatK, have distinct roles in lung homeostasis and injury development, and although suggested, broad range inhibition of proteases may not be beneficial in newborn lung injury.

Katepsiini K, keuhkojen kehitys ja vastasyntyneen krooninen keuhkovaurio

Vastasyntyneen krooninen keuhkovaurio (BPD) on edelleen merkittävä hoidollinen ongelma ennenaikaisesti syntyneillä lapsilla. Katepsiini K on voimakas keuhkoista löydetty proteaasi, joka hajottaa kollageenia ja elastiinia. Keuhkovauriomalleissa on viime aikoina todettu proteaasiaktiviteetin muutoksia, jotka saattavat olla haitallisia keuhkojen kehittymiselle, mutta proteaasien rooli keuhkojen kehittymisessä on vielä epäselvä. Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia katepsiini K:n merkitystä/osuutta keuhkojen kehitykseen ja keuhkoissa tapahtuviin rakenteellisiin muutoksiin korkean happipitoisuuden aiheuttamassa keuhkovauriomallissa hiirillä.

Mittasimme katepsiini K:n pitoisuuksia toistetusti otetuista suurten ilmateiden imulimanäytteistä 13 vuorokauden ajalta kolmeltatoista hengityskonehoidetulta ennenaikaiselta vastasyntyneeltä lapselta. Totesimme katepsiini K:n erityksen alentuneen kroonisen keuhkovaurion kehittäneillä 9-13 vuorokauden kohdalla. Lisäksi totesimme happialtistettujen vastasyntyneiden rottien katepsiini K -lähetti-RNA:n tuotannon laskeneen ja keuhkojen sidekudoksen lisääntyneen. Toiseksi tutkimme katepsiini K –puutteisilta poistogeenisiltä hiiriltä keuhkojen kehitystä ja muutoksia happivaurioon liittyen. Totesimme katepsiini K:n tuotannon keskittyvän keuhkoputkien ja keuhkorakkuloiden seinämiin sekä makrofageihin. Huoneilmassa Katepsiini K:n suhteen poistogeenisilla hiirillä seitsemän vuorokauden kohdalla keuhkorakkuloiden seinämät olivat normaalia ohuemmat. Lisähapessa poistogeenisillä hiirillä pelkistetyn glutationin määrä oli lisääntynyt oxidatiivisen stressin merkkinä. Makrofagien määrä oli näillä lisääntynyt ja solut olivat rasvatäyteisiä. Kolmannessa osatyössä tutkimme katepsiini K:n ylituotannon vaikutuksia ja totesimme 14 vuorokauden kohdalla periferisesti keuhkorakkuloiden koon kasvaneen huoneilmassa hoidetuilla hiirillä. Hapessa keuhkorakkulat olivat laajentuneet 7 vuorokauden kohdalla villityyppihiirillä ja löydökset pahenivat 14 vuorokauden kohdalla. Katepsiini K:n ylituotanto suojeli keuhkojen rakennetta 7 vuorokauden kohdalla mutta keuhkorakkuloiden laajeneminen oli ilmeistä 14 vuorokauden kohdalla. Neljännessä osatyössä totesimme myös hapessa hoidetuilla poistogeenisilla hiirillä macrophage scavenger receptor 2:n (MSR2) –lähetti-RNA:n tuotannon vähentyneen keuhkoissa.

Katepsiini K vaikuttaa keuhkojen kehitykseen syntymän yhteydessä ja saattaa olla merkittävä tekijä kroonisen keuhkovaurion synnyssä muiden riskitekijöiden, kuten happivaurion yhteydessä. Katepsiini K:n puutos vaikuttaisi johtavan pahenevaan keuhkovaurioon kun taas lisääntynyt määrä saattaa jopa suojella vauriolta. Katepsiini K:lla on mahdollisesti antifibroottisten ominaisuuksien lisäksi vaikutusta makrofagien aktiivisuuteen ja happiradikaalien käsittelykykyyn. Proteaasit, kuten katepsiini K, vaikuttavat moninaisesti keuhkojen kehitykseen ja lisää tutkimusta tarvitaan näiden erityisominaisuuksien selvittämiseksi.