Pulmonary emphysema, a significant global health problem, is characterized by a loss of alveolar structures. Because VEGF is a trophic factor required for the survival of endothelial cells and is abundantly expressed in the lung, we hypothesized that chronic blockade of VEGF receptors could induce alveolar cell apoptosis and emphysema. Chronic treatment of rats with the VEGF receptor blocker SU5416 led to enlargement of the air spaces, indicative of emphysema. The VEGF receptor inhibitor SU5416 induced alveolar septal cell apoptosis but did not inhibit lung cell proliferation. Viewed by angiography, SU5416-treated rat lungs showed a pruning of the pulmonary arterial tree, although we observed no lung infiltration by inflammatory cells or fibrosis. SU5416 treatment led to a decrease in lung expression of VEGF receptor 2 (VEGFR-2), phosphorylated VEGFR-2, and Akt-1 in the complex with VEGFR-2. Treatment with the caspase inhibitor Z-Asp-CH2-DCB prevented SU5416-induced septal cell apoptosis and emphysema development. These findings suggest that VEGF receptor signaling is required for maintenance of the alveolar structures and, further, that alveolar septal cell apoptosis contributes to the pathogenesis of emphysema.

Although inflammation and protease/antiprotease imbalance have been postulated to be critical in cigarette smoke–induced (CS-induced) emphysema, oxidative stress has been suspected to play an important role in chronic obstructive pulmonary diseases. Susceptibility of the lung to oxidative injury, such as that originating from inhalation of CS, depends largely on its upregulation of antioxidant systems. Nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper protein transcription factor that is involved in the regulation of many detoxification and antioxidant genes. Disruption of the Nrf2 gene in mice led to earlier-onset and more extensive CS-induced emphysema than was found in wild-type littermates. Emphysema in Nrf2-deficient mice exposed to CS for 6 months was associated with more pronounced bronchoalveolar inflammation; with enhanced alveolar expression of 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine, a marker of oxidative stress; and with an increased number of apoptotic alveolar septal cells — predominantly endothelial and type II epithelial cells — as compared with wild-type mice. Microarray analysis identified the expression of nearly 50 Nrf2-dependent antioxidant and cytoprotective genes in the lung that may work in concert to counteract CS-induced oxidative stress and inflammation. The responsiveness of the Nrf2 pathway may act as a major determinant of susceptibility to tobacco smoke–induced emphysema by upregulating antioxidant defenses and decreasing lung inflammation and alveolar cell apoptosis.

Prostacyclin is a powerful vasodilator and inhibits platelet adhesion and cell growth. We hypothesized that a decrease in expression of the critical enzyme PGI2 synthase (PGI2-S) in the lung may represent an important manifestation of pulmonary endothelial dysfunction in severe pulmonary hypertension (PH). Immunohistochemistry and Western blot analysis were used to assess lung PGI2-S protein expression, and in situ hybridization was used to assess PGI2-S mRNA expression. In the normal pulmonary circulation (n = 7), PGI2-S was expressed in 48% of small, 67% of medium, and 76% of large pulmonary arteries as assessed by immunohistochemistry. PPH (n = 12), cirrhosis-associated (n = 4) and HIV-associated PH (n = 2) lungs exhibited a marked reduction in PGI2-S expression, involving all size ranges of pulmonary arteries. Vessels with concentric lesions showed complete lack of PGI2-S expression. Congenital heart (n = 4) and CREST (n = 2) cases exhibited a more variable immunohistological pattern of PGI2-S expression. These results were complemented by in situ hybridization and Western blots of representative lung samples. We conclude that the different sizes of the pulmonary arteries express PGI2-S differently and that the loss of expression of PGI2-S represents one of the phenotypic alterations present in the pulmonary endothelial cells in severe PH.

Although inflammation and protease/antiprotease imbalance have been postulated to be critical in cigarette smoke–induced (CS-induced) emphysema, oxidative stress has been suspected to play an important role in chronic obstructive pulmonary diseases. Susceptibility of the lung to oxidative injury, such as that originating from inhalation of CS, depends largely on its upregulation of antioxidant systems. Nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper protein transcription factor that is involved in the regulation of many detoxification and antioxidant genes. Disruption of the Nrf2 gene in mice led to earlier-onset and more extensive CS-induced emphysema than was found in wild-type littermates. Emphysema in Nrf2-deficient mice exposed to CS for 6 months was associated with more pronounced bronchoalveolar inflammation; with enhanced alveolar expression of 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine, a marker of oxidative stress; and with an increased number of apoptotic alveolar septal cells — predominantly endothelial and type II epithelial cells — as compared with wild-type mice. Microarray analysis identified the expression of nearly 50 Nrf2-dependent antioxidant and cytoprotective genes in the lung that may work in concert to counteract CS-induced oxidative stress and inflammation. The responsiveness of the Nrf2 pathway may act as a major determinant of susceptibility to tobacco smoke–induced emphysema by upregulating antioxidant defenses and decreasing lung inflammation and alveolar cell apoptosis.

Idiopathic interstitial pneumonias (IIPs) have a progressive and often fatal course, and their enigmatic etiology has complicated approaches to effective therapies. Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is the most common of IIPs and shares with IIPs an increased incidence with age and unexplained scarring in the lung. Short telomeres limit tissue renewal capacity in the lung and germ-line mutations in telomerase components, hTERT and hTR , underlie inheritance in a subset of families with IPF. To examine the hypothesis that short telomeres contribute to disease risk in sporadic IIPs, we recruited patients who have no family history and examined telomere length in leukocytes and in alveolar cells. To screen for mutations, we sequenced hTERT and hTR. We also reviewed the cases for features of a telomere syndrome. IIP patients had shorter leukocyte telomeres than age-matched controls ( P < 0.0001). In a subset (10%), IIP patients had telomere lengths below the first percentile for their age. Similar to familial cases with mutations, IPF patients had short telomeres in alveolar epithelial cells ( P < 0.0001). Although telomerase mutations were rare, detected in 1 of 100 patients, we identified a cluster of individuals (3%) with IPF and cryptogenic liver cirrhosis, another feature of a telomere syndrome. Short telomeres are thus a signature in IIPs and likely play a role in their age-related onset. The clustering of cryptogenic liver cirrhosis with IPF suggests that the telomere shortening we identify has consequences and can contribute to what appears clinically as idiopathic progressive organ failure in the lung and the liver.

The glycocalyx is a layer of proteoglycans and complex carbohydrates that lines the endothelial cell surface in blood vessels. Schmidt et al. show that in mouse models of sepsis, lung inflammation and injury depend on glycocalyx degradation, which increases neutrophil access to endothelial adhesion molecules. The authors also provide data indicating the potential relevance of this mechanism of lung injury to humans with sepsis. Sepsis, a systemic inflammatory response to infection, commonly progresses to acute lung injury (ALI), an inflammatory lung disease with high morbidity. We postulated that sepsis-associated ALI is initiated by degradation of the pulmonary endothelial glycocalyx, leading to neutrophil adherence and inflammation. Using intravital microscopy, we found that endotoxemia in mice rapidly induced pulmonary microvascular glycocalyx degradation via tumor necrosis factor-α (TNF-α)-dependent mechanisms. Glycocalyx degradation involved the specific loss of heparan sulfate and coincided with activation of endothelial heparanase, a TNF-α–responsive, heparan sulfate–specific glucuronidase. Glycocalyx degradation increased the availability of endothelial surface adhesion molecules to circulating microspheres and contributed to neutrophil adhesion. Heparanase inhibition prevented endotoxemia-associated glycocalyx loss and neutrophil adhesion and, accordingly, attenuated sepsis-induced ALI and mortality in mice. These findings are potentially relevant to human disease, as sepsis-associated respiratory failure in humans was associated with higher plasma heparan sulfate degradation activity; moreover, heparanase content was higher in human lung biopsies showing diffuse alveolar damage than in normal human lung tissue.

Emphysema due to cigarette smoking is characterized by a loss of alveolar structures. We hypothesize that the disappearance of alveoli involves apoptosis of septal endothelial cells and a decreased expression of lung vascular endothelial growth factor (VEGF) and its receptor 2 (VEGF R2). By terminal transferase dUTP nick end labeling (TUNEL) in combination with immunohistochemistry, we found that the number of TUNEL + septal epithelial and endothelial cells/lung tissue nucleic acid ( μ g) was increased in the alveolar septa of emphysema lungs (14.2 ± 2.0/ μ g, n = 6) when compared with normal lungs (6.8 ± 1.3/ μ g, n = 7) (p < 0.01) and with primary pulmonary hypertensive lungs (2.3 ± 0.8/ μ g, n = 5) (p < 0.001). The cell death events were not significantly different between healthy nonsmoker (7.4 ± 1.9/ μ g) and smoker (5.7 ± 0.7/ μ g) control subjects. The TUNEL results were confirmed by single-stranded DNA and active caspase-3 immunohistochemistry, and by DNA ligation assay. Emphysema lungs (n = 12) had increased levels of oligonucleosomal-length DNA fragmentation when compared with normal lungs (n = 11). VEGF, VEGF R2 protein, and mRNA expression were significantly reduced in emphysema. We propose that epithelial and endothelial alveolar septal death due to a decrease of endothelial cell maintenance factors may be part of the pathogenesis of emphysema.

To determine whether angiogenesis is necessary for normal alveolarization, we studied the effects of two antiangiogenic agents, thalidomide and fumagillin, on alveolarization during a critical period of lung growth in infant rats. Newborn rats were treated with daily injections of fumagillin, thalidomide, or vehicle during the first 2 wk of life. Compared with control treatment, fumagillin and thalidomide treatment reduced lung weight-to-body weight ratio and pulmonary arterial density by 20 and 36%, respectively, and reduced alveolarization by 22%. Because these drugs potentially have nonspecific effects on lung growth, we also studied the effects of Su-5416, an inhibitor of the vascular endothelial growth factor receptor known as kinase insert domain-containing receptor/fetal liver kinase (KDR/flk)-1. As observed with the other antiangiogenic agents, Su-5416 treatment decreased alveolarization and arterial density. We conclude that treatment with three different antiangiogenic agents attenuated lung vascular growth and reduced alveolarization in the infant rat. We speculate that angiogenesis is necessary for alveolarization during normal lung development and that injury to the developing pulmonary circulation during a critical period of lung growth can contribute to lung hypoplasia.

Endothelial cells constitute an essential integrator of factors that effect blood vessel remodeling induced by chronic hypoxia. We hypothesized that vascular endothelial growth factor (VEGF) may participate in the lung response to acute and to chronic hypoxia. We found that ex vivo perfusion of isolated lungs under hypoxic conditions (when compared with normoxia) caused an increase in lung tissue mRNA of VEGF and of the VEGF receptors KDR/Flk and Flt. Chronic hypobaric hypoxia also increased lung tissue mRNA levels of VEGF, KDR/Flk, and Flt and the amount of VEGF protein. In situ hybridization studies demonstrated increased VEGF and KDR/flk hybridization signals in lungs from chronically hypoxic rats. Since endotoxin treatment of rats decreased lung VEGF mRNA, we postulated that nitric oxide (NO) or an NO-related metabolite might be involved in lung VEGF gene expression. Indeed, sodium nitroprusside, a NO donor, decreased and L-NAME (N-nitro-L-arginine methyl ester), an inhibitor of NO-synthesis, increased both VEGF and VEGF receptor transcripts. We conclude that VEGF in the isolated perfused lung acts as an early gene in response to hypoxia and that lung VEGF and VEGF receptor mRNA levels are influenced by hypoxia and NO-dependent mechanisms.

Oxidative stress has been postulated to play an important role in the pathogenesis of asthma; although a defect in antioxidant responses has been speculated to exacerbate asthma severity, this has been difficult to demonstrate with certainty. Nuclear erythroid 2 p45-related factor 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper transcription factor that is involved in the transcriptional regulation of many antioxidant genes. We show that disruption of the Nrf2 gene leads to severe allergen-driven airway inflammation and hyperresponsiveness in mice. Enhanced asthmatic response as a result of ovalbumin sensitization and challenge in Nrf2-disrupted mice was associated with more pronounced mucus cell hyperplasia and infiltration of eosinophils into the lungs than seen in wild-type littermates. Nrf2 disruption resulted in an increased expression of the T helper type 2 cytokines interleukin (IL)-4 and IL-13 in bronchoalveolar lavage fluid and in splenocytes after allergen challenge. The enhanced severity of the asthmatic response from disruption of the Nrf2 pathway was a result of a lowered antioxidant status of the lungs caused by lower basal expression, as well as marked attenuation, of the transcriptional induction of multiple antioxidant genes. Our studies suggest that the responsiveness of Nrf2-directed antioxidant pathways may act as a major determinant of susceptibility to allergen-mediated asthma.