A cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia regulátor szerepe a könnymirigy szekréciós tevékenységében
Title in English
Role of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator in lacrimal gland secretion
Keywords in Hungarian
könnymirigy, CFTR, száraz szem betegség
Keywords in English
lacrimal gland, CFTR, dry eye disease
Discipline
Public health, health services, environmental and occupational medicine, epidemiology, medical ethics
(Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Ophthalmology
Panel
Clinical Medicine
Department or equivalent
Department of Ophthalmology (University of Szeged)
Participants
Acsai, Károly Jost, Norbert László Katona, Máté Orvos, Péter Szalay, László Tálosi, László Vizvári, Eszter
Starting date
2015-10-01
Closing date
2020-09-30
Funding (in million HUF)
21.956
FTE (full time equivalent)
9.80
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A száraz szem betegség páciensek millióit érinti világszerte és a szemészeti rendelések felkeresésének egyik vezető oka. A szemorvoshoz forduló betegek között hozzávetőlegesen 50% azok aránya, akiknek száraz szem betegségre utaló tünetei is vannak. A száraz szem betegséget gyakran a könnymirigy által termelt folyadék csökkent mennyisége váltja ki. A könnyelválasztásban számos epitéliális ioncsatorna vesz részt, melyek közül a klorid transzportáló cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia regulator (CFTR) valószínűleg kulcsszerepet játszik a könnytermelés fiziológiás folyamatában és zavaraiban is. Nagyon kevés konkrét kísérletes adat áll azonban rendelkezésre a CFTR könnymirigyben betöltött szerepéről, ezért munkatervünkben célul tűztük ki a kutatás résztvevőinek (Tóth-Molnár Edit és Chuanqing Ding) laboratóriumaiban rendelkezésre álló kísérletes modellek segítségével a következőket: 1) A CFTR expressziós mintázat és a szemfelszín különbségeinek vizsgálatát vad típusú és CFTR KO egerekben; 2) A CFTR klorid transzportban betöltött szerepének meghatározását könnymirigy acinus és ductus sejtekben; 3) A CFTR funkcionális szerepének vizsgálatát izolált egér könnymirigy ductusokban; 4) A CFTR könnyszekrécióban betöltött szerepének vizsgálatát in vivo rendszerekben. A tervezett vizsgálatok eredményei együttesen segíthetik a CFTR könnyszekrécióban betöltött szerepének tisztázását és lehetőséget teremthetnek a száraz szem betegség újszerű terápiás megközelítésére.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A könnytermelés túlnyomó része az exocrin, tubuloacináris felépítésű könnymirigyben történik. A könnymirigy szekréciós folyamatai az acinusokban és a hozzájuk csatlakozó különböző duktusz szegmentumokban zajlanak. Az acinusokat alkotó sejtek funkcióját számtalan vizsgálat tanulmányozta, így ezen sejtekkel kapcsolatban jelentős mennyiségű információ áll rendelkezésre. Bár az acinusok a könnytermelés meghatározó struktúrái, ugyanakkor a duktuszok szekréciós funkcióját is régóta gyanítják a kutatók. A könnymirigy duktuszok génexpressziós profiljának vizsgálata felfedte a bazolaterális irányból apikális irányba történő kálium transzportot végző fehérjeszerkezetek és a cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia regulator (CFTR) fokozott kifejeződését a különböző duktusz szegmentumokban. Ez utóbbi vizsgálatokat kooperációs partnerünk, Dr. C. Ding végezte. A duktuszokban történő folyadékszekréció kísérletes bizonyítása a mi laboratóriumunkban történt videomikroszkópos technikával. Az eddig meghatározott ioncsatornák és transzporterek jellege alapján a könnytermelés klorid alapú szekréciós folyamatnak tűnik, melyben a CFTR kulcsszerepet játszhat. Jelenleg azonban nagyon kevés információ áll rendelkezésre a CFTR könnymirigyben játszott szerepéről, ezért jelen munkatervünkben célul tűztük ki a CFTR könnytermelésben betöltött szerepének és a kapcsolódó szabályozó mechanizmusoknak a vizsgálatát. Eredményeink segíthetik a könnyelválasztás mechanizmusának és regulációjának megértését, ezen keresztül pedig a száraz szem betegség patomechanizmusának feltárását és új, specifikus terápiás lehetőségek kidolgozását.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A száraz szem betegség az egyik leggyakrabban diagnosztizált szemfelszíni patológiás eltérés. Jelenleg a műkönnyel történő könnypótlás a fő – és gyakran elégtelen – terápiás lehetőség. A betegség oki terápiája a könnytermelés működési mechanizmusaival kapcsolatos információk hiányos volta miatt napjainkban még nem lehetséges. Emiatt lehetnek igen nagy jelentőségűek a könnymirigy fiziológiájának és patológiájának ismereteit bővítő kutatások. Jelen munkaterv az első olyan projekt, mely a cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia regulator (CFTR) szerepét vizsgálja a könnyelválasztásban. A CFTR könnymirigyben betöltött funkciójával kapcsolatos szerepét – szemben az egyéb exocrin mirigyekkel - csak az utóbbi időben és csak limitált mértékben vizsgálták, elsősorban a jelen munkatervet jegyző laboratóriumokban. Projekt javaslatunk – a fentieken túl – elsőként tervezi a CFTR KO állatmodell alkalmazását a könnymirigy-kutatásban, jóllehet ez a modell hasznos eszköznek bizonyult számos más szövet és szerv tanulmányozásában. A tervezett kutatások jelentősége és várható eredményei a következők: 1) értékes információk nyerhetők a könnytermelés mechanizmusáról fiziológiás és patológiás körülmények között, mely eredmények alapján a humán viszonyokra is következtetések vonhatók le 2) a CFTR KO egér felhasználásával kifejlesztünk és tesztelünk egy új kísérletes modellt, melynek segítségével fontos információk nyerhetők a könnytermelési zavarok és a száraz szem betegség kifejlődéséről 3) a száraz szem betegség új terápiás megközelítésének kidolgozása válik lehetővé a CFTR –on keresztül ható gyógyszeres beavatkozások tesztelésével.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Fontos érzékszervünk a szem, melynek védelmet szervezetünk több módon is biztosítja. A védelmi rendszer egyik meghatározó eleme a könny: ez a folyadék mossa le a szemfelszínről a káros anyagokat és borítja a szaruhártyát vékony réteggel, védve azt a kiszáradástól. Az elégtelen vagy hiányzó könnytermelés száraz szem betegséget okoz, mely a szemfelszín károsodásához vezethet. A száraz szem betegség a fejlett országokban igen gyakori kórforma, több tízmillió embert érint világszerte. A könny a könnymirigyben termelődik. A könnyelválasztás molekuláris mechanizmusa azonban sajnos nem teljesen ismert. A könnytermelés folyamatának jobb megismerése segítséget nyújtana a száraz szem betegség kórfolyamatainak feltárásában és specifikus terápiás lehetőségek felfedezésében. Egyedülálló, magyar és egyesült államokbeli kutató laboratóriumok közös kooperácóján alapuló projektünkben egy olyan új, génmanipulált kísérleti egér modellt tervezünk használni, melyben a könnytermelésben valószínűleg fontos szerepet játszó, klorid ionok mozgását biztosító fehérjét kódoló gének kerültek módosításra. Vizsgálatainktól a következő eredmények várhatók: 1) információt nyerhetünk az említett egér modellben a könnytermelés mechanizmusáról egészséges és kóros körülmények között, mely eredmények alapján a humán viszonyokra is következtetések vonhatók le 2) kifejlesztünk egy új modellt, melynek segítségével fontos információk nyerhetők a könnytermelési zavarok és a száraz szem betegség kifejlődéséről 3) kutatásaink segítségével lehetővé válhat a száraz szem betegség új terápiás lehetőségeinek kidolgozása szemben a jelenlegi helyzettel, amikor is fő terápiás lehetőségünk a könny műkönnyel történő pótlása.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Dry eye afflicts millions of people worldwide, and is the leading cause of visits to eye care clinicians. Approximately 50% of all patients seeking eye care having dry eye symptoms. Dry eye often results from decreased production of lacrimal gland (LG) fluid, which is initially produced in acini and then modified during its passage through the duct system. Lacrimal fluid production is mediated by an array of ion transporters and channels, including cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), a channel protein that transports Cl- across epithelial cell membranes. CFTR may play a key role in LG secretion and dysfunction. Unfortunately, little is known about CFTR’s function in LG, and therefore, in this proposal, we will take advantage of a number of research models available in the laboratories of the research partners (Dr. Edit Tóth-Molnár and Dr. Chuanqing Ding) such as the lacrimal fluid collection system, and the in vitro lacrimal duct secretion system, to investigate four SPECIFIC AIMS: 1) To investigate the expression patterns of CFTR in LG and ocular surface changes from wild type mice and mice with knockout CFTR; 2) To investigate the role CFTR plays in Cl- transport in individual LG acinar and ductal cells; 3) To determine whether CFTR is involved in fluid secretion from isolated mouse LG duct segments in vitro; 4) To determine whether CFTR is functionally involved in LG secretion in in vivo systems. Taken together, results of these studies will help us to determine the functional role of CFTR in lacrimal secretion and have the potential for developing new therapeutic approaches for millions of dry eye patients.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Tear is produced predominantly in the exocrine tubuloacinar lacrimal glands. Secretory unit of the lacrimal gland (LG) is composed of acini and different ductal segments. Functions of acinar cells are widely studied, resulting in a broad spectrum of information. Although acini are the determining structures of tear production the secretory role of ducts beside their piping function was also suspected for a long while. Gene expression profile of lacrimal gland ducts has revealed the enhanced expression of basolateral-to-apical K+ secretion related transport proteins and the predominant expression of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) in various duct segments was shown by our research partner (Dr. Chuanqing Ding). The experimental evidence of lacrimal duct fluid secretion was provided by our laboratory using videomicroscopic analysis of isolated lacrimal gland duct segments. Based on the identified ion channels and transmembrane transporters tear production have been assumed a Cl- driven fluid secretion where CFTR may play a key role. Unfortunately, little is known about CFTR’s function in lacrimal gland, and therefore, in this proposal we plan to investigate the role of CFTR and the underlying mechanisms in tear secretion. Our results may help us to determine the regulation and mechanism of tear secretion. A better understanding of lacrimal gland function can help to explore the pathological basis of the disease and may result in the discovery of specific therapeutic modalities.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Dry eye disease is one of the most frequently diagnosed ocular surface pathology. Presently substitution of tear fluid with arteficial tear drops is the main – mostly insufficient - intervention to manage dry eye without treating the underlying pathologic alterations since the causative factors of the disease is mostly unknown. Our knowledge about lacrimal gland (LG) function is far from complete and therefore the more detailed understanding of the physiology and pathophysiology of the lacrimal gland is essential. Our proposed project will be the first focuses on the role CFTR may play in LG secretion. Function of CFTR in LG has only recently been investigated to a limited extent, mostly from our group, in contrast to the vast numbers of literature in other exocrine glands. Our proposed project will also be the first investigation to use CFTR KO mice as the animal model for LG secretion studies: the CFTR KO model has been proved to be a very powerful tool to study the role CFTR plays in many other tissues and organs. However, no report has ever taken advantage of this tool in LG studies, and therefore our proposed studies will be the first project that focuses on studying the LG changes of this valuable animal model. Knowledge obtained from the proposed research will help us: 1) Gain valuable information regarding CFTR’s role in mouse LG secretion in physiological and pathological conditions that could apply to human population; 2) Develop a new experimental model by using mice with KO CFTR that would enable us to probe insights into mechanisms of LG physiology and deficiency, and dry eye development; 3) Develop new therapeutic approaches for dry eye that is induced by LG deficiency by targeting CFTR.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Eye is probably the most important sensory organ of human beings. Our body is defending our eye on many different ways. Tear is an important part of this defense-system: it washes out harmful agents and covers the surface of the eye protecting it against desiccation. Imperfection or lack of tear secretion may results in dry eye disease and may lead to lesions of the ocular surface. Dry eye disease is a very common form of eye disease and touches tens of millions of people around the world. Tear is secreted by the lacrimal gland. Unfortunately, the molecular mechanisms of tear production are not completely clarified. A better understanding of the molecular level of lacrimal gland function could help to explore the pathological basis of dry eye disease and may result in the discovery of specific therapeutic modalities. The goal of this unique international cooperative proposal by two laboratories in Hungary and the USA use a new, gene modified mouse experimental model, where genes encoding proteins that build up chloride conducting ion channels is modified. Our proposed research will help us: 1) Gain information regarding mouse tear secretion in physiological and pathological conditions that could apply to human population; 2) Develop a new experimental model by using gene modified mice that would enable us to probe insights into mechanisms of lacrimal gland physiology and deficiency, and dry eye development; 3) Finally, such kind of investigation can result in new drugs for the cure of “dry eye” disease targeting the root cause of the problem in opposite to the current situation when substitution of tear with artificial fluids is the only way to alleviate the symptoms.
Final report
Results in Hungarian
Kutatási projektünk során a cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia regulátor (CFTR) szerepét és működésének szabályozó mechanizmusait vizsgáltuk a könnymirigy duktális rendszerében. Vizsgálataink során igazoltuk, hogy a CFTR fontos szerepet tölt be a könnymirigyek duktuszainak korábban általunk bizonyított, klorid alapú folyadékszekréciójában. CFTR knock out (KO) állatokban a könnytermelés szignifikáns mértékben csökkent, a szemfelszínt védő könnyfilm réteg pedig jelentősen károsodott. Immunfluoroszcens vizsgálataink alapján igazolódott, hogy a CFTR a könnymirigyen belül elsősorban a duktusz-sejtekben, intracelluláris lokalizációját tekintve pedig azok apikális membránjában helyezkedik el. A CFTR regulációja a könnymirigy duktusz sejtjeiben cAMP-függő mechanizmusokon keresztül történik, így a transzporter direkt módon aktiválható forskolinnal és sejt permeábilis cAMP analóg 8-bromo cAMP-vel. Neurohumoralis stimulációja elsősorban az adenyl cikláz enzimen (és a következményes intracelluláris cAMP szint emelkedésen) keresztül ható ágensekkel, így elsősorban a vazoaktív intesztinális polipeptiddel valósul meg. Ez utóbbi transzmitterrel csak jelentős mértékben csökkent folyadékszekréció volt kiváltható a CFTR KO egerekből izolált duktuszokon. Eredményeink alapján a CFTR fontos szerepet játszik a könnymirigy folyadéktermelésében és így a későbbiekben gyógyszer-targetként is szerepelhet a száraz szem betegség oki terápiájában.
Results in English
The aim of our research project was to investigate of the role and regulation of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) in the ductal system of lacrimal gland. Our results suggest the important role of CFTR in the chloride-driven ductal fluid secretion of the lacrimal gland, which was proved by our laboratory earlier. The tear production was decreased in a significant manner in CFTR knock-out (KO) animals and consequently the protective tear film of the ocular surface was notably damaged. Distribution of CFTR within lacrimal gland was studied by immunofluorescence. Staining of the protein shows a high density in the ducts – in contrast to the week staining of acini - and it is localized in the apical membrane of the cells. CFTR is regulated by cAMP dependent mechanisms in the ductal cells of lacrimal gland. The transporter can be activated directly by forskolin and cell permeable cAMP analoque 8-bromo cAMP. Accordingly, it can be stimulated with neurohumoral agents acting through the adenylyl cyclase-cAMP pathway, such as vasoactive intestinal polypeptide. Only very week fluid secretion response can be evoked with this later agent in ducts isolated from CFTR KO lacrimal glands. Our results prove the important role of CFTR in the tear production of lacrimal gland and therefore it might become an interesting drug target in the treatment of dry eye disease.
