Alveolar cell apoptosis is involved in the pathogenesis of emphysema, a prevalent disease primarily caused by cigarette smoking. We report that ceramide, a second messenger lipid, is a crucial mediator of alveolar destruction in emphysema. Inhibition of enzymes controlling de novo ceramide synthesis prevented alveolar cell apoptosis, oxidative stress and emphysema caused by blockade of the vascular endothelial growth factor (VEGF) receptors in both rats and mice. Emphysema was reproduced with intratracheal instillation of ceramide in naive mice. Excessive ceramide triggers a feed-forward mechanism mediated by activation of secretory acid sphingomyelinase, as suggested by experiments with neutralizing ceramide antibody in mice and with acid sphingomyelinase–deficient fibroblasts. Concomitant augmentation of signaling initiated by a prosurvival metabolite, sphingosine-1-phosphate, prevented lung apoptosis, implying that a balance between ceramide and sphingosine-1-phosphate is required for maintenance of alveolar septal integrity. Finally, increased lung ceramides in individuals with smoking-induced emphysema suggests that ceramide upregulation may be a crucial pathogenic element and a promising target in this disease that currently lacks effective therapies.

The genetic mechanisms underlying the susceptibility to acute respiratory distress syndrome (ARDS) are poorly understood. We previously demonstrated that sphingosine 1-phosphate (S1P) and the S1P receptor S1PR3 are intimately involved in lung inflammatory responses and vascular barrier regulation. Furthermore, plasma S1PR3 protein levels were shown to serve as a biomarker of severity in critically ill ARDS patients. This study explores the contribution of single nucleotide polymorphisms (SNPs) of the S1PR3 gene to sepsis-associated ARDS. S1PR3 SNPs were identified by sequencing the entire gene and tagging SNPs selected for case-control association analysis in African- and ED samples from Chicago, with independent replication in a European case-control study of Spanish individuals. Electrophoretic mobility shift assays, luciferase activity assays, and protein immunoassays were utilized to assess the functionality of associated SNPs. A total of 80 variants, including 29 novel SNPs, were identified. Because of limited sample size, conclusive findings could not be drawn in African-descent ARDS subjects; however, significant associations were found for two promoter SNPs (rs7022797 -1899T/G; rs11137480 -1785G/C), across two ED samples supporting the association of alleles -1899G and -1785C with decreased risk for sepsis-associated ARDS. In addition, these alleles significantly reduced transcription factor binding to the S1PR3 promoter; reduced S1PR3 promoter activity, a response particularly striking after TNF-α challenge; and were associated with lower plasma S1PR3 protein levels in ARDS patients. These highly functional studies support S1PR3 as a novel ARDS candidate gene and a potential target for individualized therapy.

Abstract RATIONALE A history of chronic cigarette smoking is known to increase risk for ARDS, but the corresponding risks associated with chronic e-cigarette use are largely unknown. The chromosomal fragile site gene, WWOX, is highly susceptible to genotoxic stress from environmental exposures, and thus an interesting candidate gene for the study of exposure-related lung disease. METHODS AND RESULTS Lungs harvested from current versus former/never smokers exhibited a 47% decrease in WWOX mRNA levels. Exposure to nicotine-containing e-cigarette vapor resulted in an average 57% decrease in WWOX mRNA levels relative to vehicle treated controls. In separate studies, endothelial (EC)-specific WWOX KO versus wild type mice were examined under ARDS-producing conditions. EC WWOX KO mice exhibited significantly greater levels of vascular leak and histologic lung injury. ECs were isolated from digested lungs of untreated EC WWOX KO mice using sorting by flow cytometry for CD31+CD45- cells. These were grown in culture, confirmed to be WWOX-deficient by RT-PCR and Western blotting, and analyzed by electric cell impedance sensing (ECIS) as well as a FITC dextran transwell assay for their barrier properties during MRSA or LPS exposure. WWOX KO ECs demonstrated significantly greater declines in barrier function relative to wild type cells during either MRSA or LPS treatment as measured by both ECIS and the transwell assay. CONCLUSION The increased risk for ARDS observed in chronic smokers may be mechanistically linked, at least in part, to lung WWOX downregulation, and this phenomenon may also manifest in the near future in chronic users of e-cigarettes.

Abstract Background Chronic cigarette smoke exposure downregulates lung expression of WWOX, an ARDS relevant tumor suppressor. Prior work has revealed a barrier protective function of WWOX during infectious models of ARDS. Proteomic analysis of WWOX -silenced lung endothelial cells suggest involvement of WWOX in protection against mechanical stretch-induced inflammation. Methods Protein lysates from WWOX -silenced endothelial cells (ECs) were analyzed using tandem mass tag mass spectrometry (TMT-MS) to determine the differential expression status of the proteome compared to wild type ECs. WWOX -silenced ECs as well as those isolated from endothelial Wwox knockout (EC Wwox KO) mice were subjected to cyclic stretch (18% elongation, 0.5 Hz, 4 hours). Cellular lysates and media supernatant were harvested for assays of cellular signaling, protein expression, and cytokine release. Dual silencing of WWOX and zyxin was achieved to determine the role of zyxin upregulation in IL-8 production following mechanical stretch and during WWOX knockdown. Control and EC Wwox KO mice were subjected to high tidal volume ventilation (VILI, 40ml/kg, 65 breath/min, 4hours). Bronchoalveolar lavage fluid and mouse lung tissue were harvested for cellular signaling, cytokine secretion, and histologic assays. Results TMT-MS revealed upregulation of zyxin expression during WWOX knockdown which predicted a heightened inflammatory response to mechanical stretch. WWOX -silenced ECs and ECs isolated from EC Wwox mice displayed significantly increased cyclic stretch-mediated secretion of various cytokines (IL-6, KC/IL-8, IL-1β, and MCP-1) relative to controls. This was associated with increased ERK and JNK phosphorylation but decreased p38 MAPK phosphorylation. EC Wwox KO mice subjected to VILI sustained a greater degree of injury than corresponding controls. Silencing of zyxin during WWOX knockdown abrogated stretch-induced increases in IL-8 secretion. Conclusion Loss of WWOX function in ECs is associated with a heightened inflammatory response during mechanical stretch that is associated with increased MAPK phosphorylation and appears to be dependent on upregulation of zyxin.