Mechanisms of anion and fluid secretion by airway epithelial cells

• Main Author: Shan, Jiajie
• Other Authors: John W Hanrahan (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Biology - Physiology
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=123109

Anion transport drives fluid into the airways and is essential for humidifying inspired air and supplying surface liquid for mucociliary transport. Despite the importance of airway secretion in diseases such as cystic fibrosis, the cellular mechanisms of anion and fluid secretion remain poorly understood. To clarify these mechanisms, I studied the Calu-3 cell line, a widely used model for serous cells in airway submucosal glands.First, I studied anion transport using a technique which combines electrical measurement of ion transport and pH-stat. Although a small fraction of the Cl- secretion required basolateral entry through Na+, K+, 2Cl- cotransporter NKCC, I found that most Cl- uptake was mediated by basolateral Cl-/HCO3- exchange. The HCO3- required for this exchange process was supplied by the basolateral Na+, HCO3- cotransporter NBC and also by the hydration of CO2, which was catalyzed by carbonic anhydrase. The data were consistent with most HCO3- and Cl- secretion occurring via apical CFTR channels. Based on these findings, I propose a new model for transepithelial anion secretion, which may explain early studies in the 1980's which indicated that most tracheal submucosal gland secretion is surprisingly insensitive to bumetanide.This new scheme for anion transport was further tested using fluid secretion assays and was found to explain the ion dependencies and pharmacology of fluid secretion. Moreover, fluid was actively secreted in the first 6 hours during the 24-h fluid secretion assay, and secretions collected during that period had higher osmolality than the culture medium. These results suggest that airway surface fluid is regulated by osmolality and the water flux simply depends on the total amount of osmotically active solute on the apical surface.Finally, I explored the role of carbonic anhydrases because inhibitor studies indicated that it is critically important for anion transport by Calu-3 cells. I found that several isoforms of carbonic anhydrases are expressed in Calu-3 cells, namely CAII, CAIX and CAXII. Inhibitor studies revealed that CAIX is not required for anion transport. CAII is probably the isoform involved in bicarbonate secretion, although further studies are needed to exclude the involvement of CAXII. Taken together, these present findings support a novel cellular mechanism for anion and fluid secretion by Calu-3 cells. This scheme may be applicable to airway submucosal glands which control the pH, volume, and composition of airway surface liquid and are critical for airway host defense. === Le transport d'anions entraîne le fluide dans les voies aériennes et est essentiel pour l'humidification de l'air inspiré et pour apporter du liquide de surface nécessaire au transport mucoscilliaire. Malgré l'importance de la sécrétion au niveau des voies respiratoires dans le cas de maladies telles que la fibrose kystique, les mécanismes cellulaires de la sécrétion d'anions et de fluide ne sont pas tout à fait élucidés. Afin de clarifier les mécanismes, j'ai utilisé la lignée cellulaire Calu-3, un modèle connu de cellules séreuses dans les glandes submucosales des voies aériennes.En premier lieu, j'ai étudié le transport d'anions en utilisant une technique combinant la mesure électrique de transport d'ions et le pH-stat. Bien qu'une petite fraction de sécrétion de Cl- requiert l'entrée par le co-transporteur basolatéral Na+, K+, 2Cl- NKCC, j'ai démontré que la plupart de l'apport de Cl- est médié par l'échange Cl-/HCO3-basolatéral. Le HCO3- requis pour cet échange est apporté par le co-transporteur basolatéral Na+, HCO3- NBC et également par l'hydratation de CO2, qui est catalysée par l'anhydrase carbonique. Les données corrèlent avec la plupart de la sécrétion de HCO3- et Cl- par les canaux CFTR apicaux. D'après ces résultats, je propose un nouveau modèle de sécrétion transépithéliale d'anions, qui pourrait expliquer des études précédentes datant des années 1980, qui indiquaient que la sécrétion des glandes submucosales de trachée est majoritairement insensible au bumétanide.Ce nouveau modèle de transport d'anions a ensuite été testé par la méthode de sécrétion de fluide et a permis d'expliquer les dépendances en ions et la pharmacologie de la sécrétion de fluide. Aussi, le fluide est activement secrété pendant les 6 premières heures au cours d'un essai de sécrétion de fluide sur 24 heures, et les secrétions collectées pendant cette période ont une osmolarité plus importante que le milieu de culture. Ces résultats suggèrent que le fluide de surface des voies aériennes est régulé par l'osmolarité et que le flux d'eau dépend simplement de la quantité totale de soluté osmoticallement actif à la surface apicale.Enfin, j'ai étudié le rôle des anhydrases carboniques car mes expériences d'inhibition démontrent son importance dans le transport d'anions par les cellules Calu-3. J'ai mis en évidence qu'il existe trois isoformes d'anhydrases carboniques exprimées dans les cellules Calu-3 : CAII, CAIX et CAXII. Des expériences d'inhibition ont révélé que CAIX n'est pas impliqué dans le transport d'anions. CAII est probablement l'isoforme impliqué dans la sécrétion de bicarbonate, bien que des expériences complémentaires soient nécessaires pour exclure l'implication de CAXII.Pour conclure, ces résultats appuient un nouveau mécanisme cellulaire de sécrétion d'anions et de fluide par les cellules Calu-3. Ce modèle pourrait être applicable aux glandes submucosales des voies respiratoires qui contrôlent le pH, le volume et la composition du liquide de surface des voies aériennes et qui sont essentielles à leur défense.