Human respiratory tissue models to study nasal odorant metabolism

Introduction Nasal xenobiotic metabolizing enzymes (XMEs) protect against inhalable toxicants and play a key role in olfactory peri-receptor events by metabolizing odorants. Since a major part of the human nasal cavity is lined by respiratory mucosa, we hypothesized that – besides the olfactory mucosa – this tissue contributes to odorant metabolism likewise.

Material and Methods Human respiratory epithelial cells and fibroblasts were isolated from surgical specimens, and tissue models were built using a biological scaffold. We applied single-cell RNA sequencing and RTqPCR to study XME expression, and used histological methods and Western blot to confirm protein abundance. To assess XME metabolic activity, tissue models were treated with defined odorants, and metabolites were analyzed by gas chromatography–mass spectrometry.

Results We identified >60 phase I and phase II XME genes in the tissue models. From this panel, we selected the phase I XMEs dicarbonyl and L-xylulose reductase, aldehyde dehydrogenase 1A1 (ALDH1A1) and ALDH3A1 for further analyses and verified their protein abundance in respiratory tissue models. Our data indicate that the tissue models are capable of metabolizing substrates of these enzyme families, for instance, 3,4-hexanedione to 4-hydroxy-3-hexanone and benzaldehyde to benzyl alcohol and benzoic acid.

Discussion Human respiratory tissue models appear to contribute significantly to odorant metabolism since they express several functional XMEs. This is supported by metabolic activity towards representative aroma compounds occurring in food. Our current experimental work focuses on further XME families, such as aldo-keto reductases and glutathione S-transferases.

Einleitung Nasale, Xenobiotika metabolisierende Enzyme (XME) schützen vor inhalierbaren Giftstoffen und spielen eine Schlüsselrolle bei olfaktorischen Perirezeptorevents, indem sie Geruchsstoffe metabolisieren. Da ein Großteil der humanen Nasenhöhle von Atemwegsschleimhaut ausgekleidet ist, stellten wir die Hypothese auf, dass dieses Gewebe -neben der Riechschleimhaut- ebenfalls zum Geruchsstoffmetabolismus beiträgt.

Material und Methoden Aus humanen Epithelzellen und Fibroblasten der Atemwege wurden komplexe Gewebemodelle erstellt. Mit Hilfe von Einzelzell-RNA-Sequenzierung und RTqPCR untersuchten wir die XME-Expression, und identifizierten entsprechende Proteine mittels Histologie und Western Blot. Zur Bewertung der metabolischen Aktivität der XME wurden die Gewebemodelle mit Geruchsstoffen behandelt und die Metaboliten mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie analysiert.

Ergebnisse Wir identifizierten in den Gewebemodellen >60 Phase I- und Phase II-Gene. Aus diesen Daten wählten wir die XME Dicarbonyl- und L-Xylulose-Reduktase, Aldehyddehydrogenase 1A1 (ALDH1A1) und ALDH3A1 für weitere Analysen aus und lokalisierten die entsprechenden Proteine in den Atemwegsmodellen. Die Gewebemodelle können Substrate dieser Enzymfamilien metabolisieren, wie zum Beispiel 3,4-Hexandion zu 4-Hydroxy-3-hexanon und Benzaldehyd zu Benzylalkohol und Benzoesäure.

Diskussion Gewebemodelle der humanen Atemwege scheinen einen wichtigen Beitrag zum Geruchsstoffmetabolismus zu leisten, da sie viele funktionelle XME exprimieren. Dies wird durch die metabolische Aktivität gegenüber repräsentativen, in Lebensmitteln vorkommenden Aromastoffen bestätigt. Unsere derzeitige experimentelle Arbeit konzentriert sich auf weitere XME-Familien, wie Aldoketo-Reduktasen und Glutathion-S-Transferasen.

Die Autorinnen/Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.