Alpha1-antitrypsine deficiëntie, respiratoire infecties en luchtwegontsteking: de rol van epitheel

  • Naam promovendus: prof Dr P.S. Hiemstra
  • Instituut Universiteit: Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC)

Om de longen te beschermen tegen schade als gevolg van ontstekingen maakt het lichaam de ontstekingsremmer alfa-1-antitrypsine (AAT) aan. Bij sommige mensen schiet de aanmaak van ATT tekort als gevolg van een defect in het gen voor ATT. Doel van dit project is (verder) te onderbouwen of er inderdaad verschillen bestaan tussen COPD-patiënten met een gendefect voor ATT, COPD-patiënten met een normale ATT-aanmaak en gezonde controlepersonen ten aanzien van de frequentie van longinfecties en de mate van ontsteking in het longweefsel.

Alfa-1-antitrypsine (AAT) is een ontstekingsremmer die bijdraagt aan het beschermen van de long tegen weefselschade die kan ontstaan tijdens een ontstekingsproces. AAT wordt vooral in de lever aangemaakt (bereikt de long via de bloedbaan), maar ook lokaal in de long door macrofagen en epitheelcellen. Een erfelijk tekort aan AAT (AAT deficiëntie; AATD) kan bij pasgeborenen leiden tot een ernstige hepatitis en bij rokers tot emfyseem rond het dertigste levensjaar. Longschade die ten grondslag ligt aan afgenomen longfunctie bij AATD wordt mede veroorzaakt door frequente luchtweginfecties.
De meest voorkomende vorm van AATD wordt veroorzaakt door de Z-mutatie in het AATgen: Z-AAT. Dit Z-AAT hoopt zich als zgn polymeren op in cellen en wordt in beperkte mate in het bloed uitgescheiden. Door een laag bloed AAT wordt de long onvoldoende beschermd tegen enzymen die vrijkomen bij ontsteking; daarnaast dragen de polymeren van Z-AAT lokaal in de long ook zelf bij aan de ontsteking. Cellen met opgehoopt Z-AAT proberen polymeren te verwijderen, maar dit gaat gepaard met uitscheiding van ontstekingsmediatoren, en eventueel dood van de cel. Er zijn sterke aanwijzingen dat dit proces niet alleen in de lever maar ook in long epitheelcellen kan optreden. Hierdoor kan de epitheelcel die Z-AAT gaat aanmaken (daartoe extra gestimuleerd door de ontsteking) zelf bijdragen aan het ontstekingsproces in de long. Omdat ontsteking de gevoeligheid voor longinfecties verhoogt, en omdat de epitheelcel een centrale rol speelt in de afweer tegen infecties in de long, lijken we hiermee een centraal proces in de ontwikkeling van longschade bij AATD te hebben geïdentificeerd. Onze hypothese is dan ook dat patiënten met AATD en een gestoorde longfunctie verschillen van COPD patiënten zonder AATD en gezonde niet-rokende controles door
a meer luchtweginfecties;
b meer ontsteking; en
c een slechtere afweer.
We denken dat deze verhoogde gevoeligheid voor infecties en ontsteking mede wordt veroorzaakt door de aanmaak van het abnormale Z-AAT in de epitheelcellen.
Wij willen dit onderzoeken aan de hand van drie deelonderzoeken:
1 Onderzoek naar luchtweginfecties, ontsteking en afweer in neus- en longslijm dat van de bovengenoemde drie groepen wordt verzameld. In een kleinere groep patiënten (niet in de gezonde controles) zal tevens een longbiopt worden verkregen via bronchoscopie om zo de processen lokaal in de long te bestuderen. Dit weefsel wordt onderzocht op de aanwezige ontsteking, en uit dit weefsel worden epitheelcellen geïsoleerd en in kweek gebracht (onderzoek 2).
2 Onderzoek aan de hiervoor beschreven epitheelcellen. Dit stelt ons in staat om de abnormale cellulaire reactie die het gevolg is van ophoping van Z-AATD in gekweekte cellen van patiënten te bestuderen. Bovendien kunnen we zo nagaan of reeds bekende stoffen die de ophoping van Z-AAT remmen ook werken in de epitheelcellen en de abnormale cellulaire reactie afremmen.
3 Opzetten van een nieuw testsysteem om het effect van Z-AATD op de epitheelcelfunctie te bestuderen, en om de stoffen genoemd in onderzoek 2 te evalueren. Dit onderzoek is een afgeleide van onderzoek 2, en is er op gericht om de epitheelcellen zodanig te behandelen, dat ze zeer langdurig gebruikt kunnen worden voor onderzoek.
We verwachten dat we met dit onderzoek veel leren over het ontstaan van longschade en infecties bij AATD, en dat we een nieuw testsysteem kunnen ontwikkelen voor geneesmiddelen die de ophoping van Z-AAT remmen.

Abstract

1-Antitrypsin (AAT) is a major inhibitor of neutrophil elastase, and AAT deficiency (AATD) is associated with early-onset development of COPD. Initially it was thought that the protease-antiprotease imbalance was the main explanation for the development of emphysema in AATD. More recently, local mechanisms operative in the lung were shown to contribute to emphysema and inflammation in AATD. The most important mutation causing AATD is the Z-mutation (Z-AATD), and this is accompanied by misfolding and intracellular accumulation of the polymerized mutant AAT (Z-AAT). This process – extensively studied in hepatocytes - results in the so-called endoplasmatic reticulum (ER) stress response, causing cell death and inflammation. ER stress-induced inflammation and cellular dysfunction may occur in the lung because lung epithelial cells and macrophages produce AAT. Indeed, studies by other researchers using cell lines from healthy subjects engineered to overexpress recombinant Z-AAT have provided preliminary evidence for altered epithelial cell function. In vivo, epithelial AAT production appears to be driven mainly by inflammatory cytokines such as oncostatin M. So far, the effect of intracellular polymerized Z-AAT on epithelial function in patients and its role in the progression of emphysema has not been studied before.
We hypothesize that ER stress contributes to epithelial dysfunction in Z-AATD, resulting in enhanced inflammation. In addition, we hypothesize that the airways of Z-AATD patients are particularly prone to bacterial infection and colonization through the inflammatory mechanisms outlined above that result in impaired host defence. We aim to test this hypothesis by:
1. Investigating airway secretions (nasal secretions and induced sputum) from patients with Z-AATD, non-AATD COPD and healthy controls for the presence of respiratory pathogens, inflammatory mediators and effector molecules of innate immunity. Bronchial biopsies will be collected and studied in a subgroup of Z-AATD and non-Z-AATD COPD patients.
2. Exploring the ER stress response in epithelial cells from Z-AATD patients by using epithelial cell culture and investigating whether exposure to smoke or respiratory pathogens further enhances ER stress. Cellular markers of ER stress, as well as production of antimicrobial peptides will be assessed as read-out for epithelial polymerization of Z-AAT. In addition, we will explore whether a deficiency in AAT production itself (induced by siRNA) alters epithelial cell function in culture.
3. Developing a model system to study the efficacy of compounds that block AAT polymerization and increase secretion in airway epithelial cells from Z-AATD subjects. To this end we will generate epithelial cell lines from AATD patients and non-AATD COPD controls by introducing the catalytic subunit of telomerase (hTERT) in these cells.

  • Bedrag:
    -250.000,00
  • Looptijd:
    4 jaar,
  • Soort subsidie:
    Research Project
  • Andere aanvragers/partners:
    Dr J. Stolk
  • Projectnummer:
    3.2.08.032