Background: Airway fibroblasts have become a critical addition to all facets of structural lung tissue changes such as in human asthma and chronic obstructive pulmonary disease, but little is known about their role in the equine recurrent airway obstruction, a disease that resembles to the human asthma. Since the equine bronchial fibroblasts (EBF) have not been isolated and characterized yet, the use of defined medium was investigated. Results: Primary EBF were cultured on non-collagen coated flasks without serum or in the presence of feta bovine serum (FBS) or horse serum (HS) or in serum depleted medium. EBF cultured in serum-free basal media and those serum deprived were not able to proliferate and even exhibited considerable cell death. In media containing FBS or HS, proliferation of the cells was reproducible between different primary cultures and cells demonstrated expression of vimentin. Large variations were found in the ability of FBS and HS to support growth and differentiation of EBF in monolayer culture. Indications of growth-promoting actions, increasing passage number as well as maintaining fibroblast morphology were found rather in FBS than in HS. EBF culturing in HS needed longer doubling and confluence time. The protein content of the cell pellets was higher in EBF cultured in medium containing HS than FBS. Alpha-smooth muscle actin seemed to be less expressed in EBF cultured in medium containing FBS than those in HS. Conclusions: In sum, serum addition to basal EBF medium enhanced EBF differentiation into myofibroblasts, and these findings are useful to develop in vitro fibroblast culture models that mimic in vivo physiological processes and to study airway disease mechanisms and remodeling.

Background: Airway fibroblasts have become a critical addition to all facets of structural lung tissue changes such as in human asthma and chronic obstructive pulmonary disease, but little is known about their role in the equine recurrent airway obstruction, a disease that resembles to the human asthma. Since the equine bronchial fibroblasts (EBF) have not been isolated and characterized yet, the use of defined medium was investigated. Results: Primary EBF were cultured on non-collagen coated flasks without serum or in the presence of feta bovine serum (FBS) or horse serum (HS) or in serum depleted medium. EBF cultured in serum-free basal media and those serum deprived were not able to proliferate and even exhibited considerable cell death. In media containing FBS or HS, proliferation of the cells was reproducible between different primary cultures and cells demonstrated expression of vimentin. Large variations were found in the ability of FBS and HS to support growth and differentiation of EBF in monolayer culture. Indications of growth-promoting actions, increasing passage number as well as maintaining fibroblast morphology were found rather in FBS than in HS. EBF culturing in HS needed longer doubling and confluence time. The protein content of the cell pellets was higher in EBF cultured in medium containing HS than FBS. Alpha-smooth muscle actin seemed to be less expressed in EBF cultured in medium containing FBS than those in HS. Conclusions: In sum, serum addition to basal EBF medium enhanced EBF differentiation into myofibroblasts, and these findings are useful to develop in vitro fibroblast culture models that mimic in vivo physiological processes and to study airway disease mechanisms and remodeling.:Background; Results; Discussion; Conclusions

Einleitung: Die Pathogenese chronisch entzündlicher Atemwegserkrankungen ist mit zunehmender Schädigung und fibrotischen Umbauvorgängen und daraus resultierenden Einschränkungen physiologischer Funktionen verbunden. Bei der Recurrent Airway Obstruction (RAO) des Pferdes sind solche strukturellen Veränderungen häufig assoziiert mit Verdickung der Atemwegswand, subepithelialer Fibrose und Obstruktion der Atemwege. Bei RAO besteht die Standardtherapie darin, die Bronchokonstriktion mit β2-Agonisten und die Entzündung mit Glucocorticoiden aufzuhalten. In den letzten Jahrzehnten konnte jedoch gezeigt werden, dass nicht alle Patienten mit der empfohlenen Therapie ausreichend behandelt werden können und neue Ansatzpunkte der Therapie gefunden werden müssen. Daher konzentrieren sich neuere Forschungsarbeiten auf strukturelle Alterationen in den Atemwegen, das sogenannte Airway-Remodelling. Zielsetzung: In der vorliegenden Arbeit sollen zunächst primäre equine Bronchialfibroblasten (EBF) isoliert, charakterisiert und kultiviert werden. Im nächsten Schritt sollen in diesen Zellen die β2-Rezeptorexpression und –eigenschaften charakterisiert werden. Anschließend soll die Eignung dieser Zellen als Zellmodell zur Untersuchung der zellulären Proliferation und Transformation sowie der Regulation der de-novo-Synthese von extrazellulärer Matrix und deren Beeinflussung durch β2-Agonisten und Glucocorticoide allein oder in Kombination sowie TGF-β überprüft werden. Material und Methoden: Mittels enzymatischer Verdauung mit 0,25 % Trypsin werden die EBF aus den Bronchien von 10 gesunden Schlachtpferden isoliert und in DMEM kultiviert. Diese Zellen werden morphologisch, immunzytochemisch und funktionell in deren Eigenschaften in An- oder Abwesenheit von fetalem bovinem Serum (FBS) oder Pferdeserum (HS) charakterisiert. Die Dichte und Subtypverteilung von β-Adrenozeptoren wird mittels Radioligandbindungsstudien mit [125I]-(-)-Iodocyanopindolol in Gegenwart von Rezeptorsubtyp-selektiven β-Antagonisten (β2: ICI 118,551 und β1: CGP 20712A) in EBF untersucht. Der Einfluss von β2-Agonisten auf die Proliferation und Differenzierung der EBF sowie die Kollagensynthese wird mittels [3H]-Thymidineinbauassay, Bestimmung von Gesamtprotein und α-Smooth Muscle Aktin (α-SMA) mit Lowrymethode und Western Blot-Analyse bzw. [3H]-Prolininkorporationsassay ermittelt. Die statistische Signifikanz wird über einen t-Test für verbundene Stichproben oder eine One-Way-ANOVA mit nachfolgendem Dunnett’s Test ermittelt und das Signifikanzniveau wird P ≤ 0,05 festgelegt. Ergebnisse: EBF können im DMEM-Medium nur in Gegenwart von Serum langfristig wachsen und kultiviert werden. In serum-freiem Medium und unter vorübergehendem Serumentzug können EBF nicht anhaften bzw. lösen sie sich ab. Die Effekte von FBS und HS auf EBF sind allerdings unterschiedlich. FBS fördert die Zellproliferation und -verdopplungsrate sowie die Zellpassage bis zur Passage 20 signifikant besser als HS (max. 9 Passagen). Unter FBS entwickeln EBF eine für Fibroblasten charakteristische spindelförmige Morphologie aber eine schwache α-SMA-Expression, während unter HS die Zellen eine atypische, polygonale Morphologie zeigen, jedoch mit signifikant hohem α-SMA und Proteingehalt. Radioligandenbindungsstudien zeigen, dass EBF lediglich den β2-Adrenozeptorsubtyp mit einer maximalen Rezeptorendichte (Bmax) von 5037 ± 494 Bindungsstellen/Zelle exprimieren. Die Behandlung der EBF mit β-Agonisten (Clenbuterol, Salbutamol, Isoproterenol) führt konzentrationsabhängig zur Abnahme dieser Anzahl der Rezeptoren mit unterschiedlicher Wirkungsstärke (Clenbuterol > Salbutamol > Isoproterenol), wobei Dexamethason diese nicht verändert. Diese Agonisten sowie auch Dexamethason hemmen die Proliferation der EBF, und dies kann in Gegenwart von ICI 118,551 aber nicht von CGP 20712A gehemmt werden, was auf den Einfluss des β2-Adrenozeptors hinweist. β2-Agonisten und Dexamethason gemeinsam resultieren in einer verstärkten Hemmung der EBF-Proliferation. Transforming Growth Factor-β1 (TGF-β1) stimuliert die Transformation von EBF zu Myofibroblasten mit einer erhöhten Expression von α-SMA in EBF, welches eher durch Dexamethason als durch Clenbuterol gehemmt wird. Die Kollagensynthese wird nur durch Dexamethason signifikant gehemmt. Schlussfolgerung: Das erstmalig etablierte EBF-Kulturmodell dient der Erforschung von Signalwegen und neuen Arzneimitteltargets im Zusammenhang mit der Pathogenese der equinen RAO insbesondere dem Atemwegs-Remodelling. So kann gezeigt werden, dass die Verwendung von β2-Agonisten allein oder in Kombination mit Glucocorticoiden eine Hemmung der Proliferation und Transformation von EBF in vitro bewirkt. Dies deutet auf einen zusätzlichen therapeutischen Nutzen von Clenbuterol und Glucocorticoiden hin und impliziert die Notwendigkeit eines frühzeitigen Einsatzes dieser Pharmaka bei der RAO des Pferdes.

Einleitung: Die Pathogenese chronisch entzündlicher Atemwegserkrankungen ist mit zunehmender Schädigung und fibrotischen Umbauvorgängen und daraus resultierenden Einschränkungen physiologischer Funktionen verbunden. Bei der Recurrent Airway Obstruction (RAO) des Pferdes sind solche strukturellen Veränderungen häufig assoziiert mit Verdickung der Atemwegswand, subepithelialer Fibrose und Obstruktion der Atemwege. Bei RAO besteht die Standardtherapie darin, die Bronchokonstriktion mit β2-Agonisten und die Entzündung mit Glucocorticoiden aufzuhalten. In den letzten Jahrzehnten konnte jedoch gezeigt werden, dass nicht alle Patienten mit der empfohlenen Therapie ausreichend behandelt werden können und neue Ansatzpunkte der Therapie gefunden werden müssen. Daher konzentrieren sich neuere Forschungsarbeiten auf strukturelle Alterationen in den Atemwegen, das sogenannte Airway-Remodelling. Zielsetzung: In der vorliegenden Arbeit sollen zunächst primäre equine Bronchialfibroblasten (EBF) isoliert, charakterisiert und kultiviert werden. Im nächsten Schritt sollen in diesen Zellen die β2-Rezeptorexpression und –eigenschaften charakterisiert werden. Anschließend soll die Eignung dieser Zellen als Zellmodell zur Untersuchung der zellulären Proliferation und Transformation sowie der Regulation der de-novo-Synthese von extrazellulärer Matrix und deren Beeinflussung durch β2-Agonisten und Glucocorticoide allein oder in Kombination sowie TGF-β überprüft werden. Material und Methoden: Mittels enzymatischer Verdauung mit 0,25 % Trypsin werden die EBF aus den Bronchien von 10 gesunden Schlachtpferden isoliert und in DMEM kultiviert. Diese Zellen werden morphologisch, immunzytochemisch und funktionell in deren Eigenschaften in An- oder Abwesenheit von fetalem bovinem Serum (FBS) oder Pferdeserum (HS) charakterisiert. Die Dichte und Subtypverteilung von β-Adrenozeptoren wird mittels Radioligandbindungsstudien mit [125I]-(-)-Iodocyanopindolol in Gegenwart von Rezeptorsubtyp-selektiven β-Antagonisten (β2: ICI 118,551 und β1: CGP 20712A) in EBF untersucht. Der Einfluss von β2-Agonisten auf die Proliferation und Differenzierung der EBF sowie die Kollagensynthese wird mittels [3H]-Thymidineinbauassay, Bestimmung von Gesamtprotein und α-Smooth Muscle Aktin (α-SMA) mit Lowrymethode und Western Blot-Analyse bzw. [3H]-Prolininkorporationsassay ermittelt. Die statistische Signifikanz wird über einen t-Test für verbundene Stichproben oder eine One-Way-ANOVA mit nachfolgendem Dunnett’s Test ermittelt und das Signifikanzniveau wird P ≤ 0,05 festgelegt. Ergebnisse: EBF können im DMEM-Medium nur in Gegenwart von Serum langfristig wachsen und kultiviert werden. In serum-freiem Medium und unter vorübergehendem Serumentzug können EBF nicht anhaften bzw. lösen sie sich ab. Die Effekte von FBS und HS auf EBF sind allerdings unterschiedlich. FBS fördert die Zellproliferation und -verdopplungsrate sowie die Zellpassage bis zur Passage 20 signifikant besser als HS (max. 9 Passagen). Unter FBS entwickeln EBF eine für Fibroblasten charakteristische spindelförmige Morphologie aber eine schwache α-SMA-Expression, während unter HS die Zellen eine atypische, polygonale Morphologie zeigen, jedoch mit signifikant hohem α-SMA und Proteingehalt. Radioligandenbindungsstudien zeigen, dass EBF lediglich den β2-Adrenozeptorsubtyp mit einer maximalen Rezeptorendichte (Bmax) von 5037 ± 494 Bindungsstellen/Zelle exprimieren. Die Behandlung der EBF mit β-Agonisten (Clenbuterol, Salbutamol, Isoproterenol) führt konzentrationsabhängig zur Abnahme dieser Anzahl der Rezeptoren mit unterschiedlicher Wirkungsstärke (Clenbuterol > Salbutamol > Isoproterenol), wobei Dexamethason diese nicht verändert. Diese Agonisten sowie auch Dexamethason hemmen die Proliferation der EBF, und dies kann in Gegenwart von ICI 118,551 aber nicht von CGP 20712A gehemmt werden, was auf den Einfluss des β2-Adrenozeptors hinweist. β2-Agonisten und Dexamethason gemeinsam resultieren in einer verstärkten Hemmung der EBF-Proliferation. Transforming Growth Factor-β1 (TGF-β1) stimuliert die Transformation von EBF zu Myofibroblasten mit einer erhöhten Expression von α-SMA in EBF, welches eher durch Dexamethason als durch Clenbuterol gehemmt wird. Die Kollagensynthese wird nur durch Dexamethason signifikant gehemmt. Schlussfolgerung: Das erstmalig etablierte EBF-Kulturmodell dient der Erforschung von Signalwegen und neuen Arzneimitteltargets im Zusammenhang mit der Pathogenese der equinen RAO insbesondere dem Atemwegs-Remodelling. So kann gezeigt werden, dass die Verwendung von β2-Agonisten allein oder in Kombination mit Glucocorticoiden eine Hemmung der Proliferation und Transformation von EBF in vitro bewirkt. Dies deutet auf einen zusätzlichen therapeutischen Nutzen von Clenbuterol und Glucocorticoiden hin und impliziert die Notwendigkeit eines frühzeitigen Einsatzes dieser Pharmaka bei der RAO des Pferdes.