A mechanism of airway injury in an epithelial model of mucociliary clearance

Abstract

We studied the action of sodium metabisulphite on mucociliary transport in a frog palate epithelial injury model, hypothesizing that it may be useful for the study of mechanisms of airway injury. Sodium metabisulphite (MB) releases SO 2 on contact with water. SO 2 is a pollutant in automobile fumes and may play a role in the exacerbation of airway disease symptoms. We first investigated its effect on mucociliary clearance. MB 10 -1 M, increased mucociliary clearance time (MCT) by 254.5 ± 57.3% of control values, (p < 0.001, n = 7). MB 10 -4 and 10 -2 M did not interfere with mucus clearance time compared to control values. In MB-treated frog palates, MCT did not return to control values after one hour (control, 97.3 ± 6.3% vs. MB, 140.9 ± 46.3%, p < 0.001, n = 7). Scanning EM images of epithelial tissue were morphometrically analyzed and showed a 25 ± 12% loss of ciliated cells in MB palates compared to controls with an intact ciliary blanket. Intact cells or groups of ciliated cells were found in scanning EM micrographs of mucus from MB-treated palates. This was associated with increased matrix metalloproteinase (MMP-9) activity in epithelial tissue and mucus. We suggest that the loss of ciliated cells as a result of MMP-9 activation prevented full recovery of MCT after MB 10 -1 M. The mechanism of action may be on epithelial cellcell or cell-matrix attachments leading to cell loss and a disruption of MCT. Further studies are warranted to determine whether this is an inflammatory mediated response or the result of a direct action on epithelial cells and what role this mechanism may play in the progression to chronic airway diseases with impaired mucociliary clearance.

Inhibition of Protein Kinase C Epsilon Causes Ciliated Bovine Bronchial Cell Detachment

“…We have shown that sustained activation of the kinase can autodownregulate PKCε, and we propose that effective inhibition of PKCε induces ciliated cell detachment. Several other in vitro treatments, including incubation of ciliated cells with sodium metabisulfite, can also slow ciliary beat and induce ciliated cell detachment at high concentrations [24]. Furthermore, neuropeptide Y was found to inhibit CBF in cultured human BECs, presumably mediated through a novel PKC isoform-mediated pathway [25].…”

Interaction of matrix metalloproteinases with pulmonary pollutants: Table 1–

“…In this study, O'BRIEN et al [45] examined the action of SO 2 on mucociliary transport in a frog palate epithelial injury model. They used sodium metabisulfite, which releases SO 2 on contact with water.…”

Acute effect of aerobic exercise in different intensities in mucociliary clearance of patients with COPD

“…45 Conhecer a resposta do transporte mucociliar em pacientes com DPOC frente ao exercício físico é essencial a todos os profissionais envolvidos em reabilitação pulmonar e que prescrevem exercício físico no tratamento de DPOC, visto que o transporte mucociliar é a primeira linha de defesa do sistema respiratório contra agentes agressores e irritantes e sua integridade está inteiramente relacionada à diminuição de risco de infecções respiratórias que possuem impacto extremamente negativo nos pacientes com DPOC, pois aumentam o risco de exacerbações. 1,2,7,36 Deste modo o presente estudo pôde concluir que pacientes com DPOC apresentaram aceleração da transportabilidade mucociliar frente á uma sessão de exercício aeróbio e que não foi possível observar uma associação da modulação autonômica nesta resposta após o exercício.…”

“…1 O funcionamento adequado do transporte mucociliar depende da estrutura, sincronia e frequência do batimento ciliar, quantidade e qualidade da secreção brônquica e da perfeita interação entre estes componentes. [3][4][5][6][7] Algumas condições como processos inflamatórios e exposição excessiva de partículas inaladas são capazes de alterar a eficiência do batimento ciliar. 8,9 Além disso, sabe-se que em indivíduos saudáveis a realização aguda de exercício físico promove uma aceleração da transportabilidade mucociliar.…”

“…Estudos realizados em indivíduos saudáveis demonstraram que a administração de agentes anticolinérgicos diminuiu o clearance, 13 enquanto a estimulação colinérgica 5 e agentes simpatomiméticos aumentaram sua ação. 7,13 Pacientes com DPOC apresentam alterações na modulação autonômica, caracterizada por aumento da atividade simpática e, consequente, redução da atividade parassimpática. 16 Acredita-se que esta condição possa influenciar, pelo menos em parte, a integridade do transporte mucociliar e promover modificações na resposta do transporte mucociliar desses indivíduos frente ao estímulo agudo do exercício físico, o que ainda é desconhecido na literatura.…”