Effect van diesel emissies op bronchiaal epitheelcellen van COPD en astma patiënten

  • Naam promovendus: Dr I.M. Kooter
  • Instituut Universiteit: TNO

De effecten van dieseluitlaatgassen bij astma en COPD, dat laat zien dat deze uitlaatgassen een markante reactie in epitheelcellen teweegbrengt die sterk lijkt op die van blootstelling aan sigarettenrook

Luchtverontreiniging is de oorzaak van aanzienlijke gezondheidsproblemen. Eén van de belangrijke bronnen van luchtverontreiniging in de stedelijke omgeving is de uitstoot van uitlaatgassen door het verkeer. Deze verkeersemissies vormen een zeer complex mengsel van gassen en deeltjes, dat ontstaat tijdens het verbrandingsproces in de motor. Er is nog weinig bekend over welke deeltjes in dit complexe mengsel bijdragen aan het ontstaan van verschillende gezondheidsklachten, maar wel is bekend dat vooral dieselmotoren voor problemen zorgen. Inademing van deze verkeersemissies kan leiden tot gezondheidsklachten en zelfs tot vroegtijdige sterfte, en vooral bepaalde risicogroepen zoals ouderen, en mensen met longaandoeningen zoals COPD en astma, blijken hiervoor gevoelig te zijn.
Het epitheel vormt de binnenste bekleding van de luchtwegen, en epitheelcellen komen daarom in contact met alles wat we inademen. Recent onderzoek heeft laten zien dat epitheelcellen van astma en COPD patiënten zich anders gedragen, en een centrale rol kunnen spelen in het ontstekingsproces. Daarom willen we onderzoeken of epitheelcellen van astma en COPD patiënten gevoeliger zijn voor diesel blootstelling in vergelijking tot een gezonde groep. Hierbij zal speciale aandacht uitgaan naar ontsteking en de gevoeligheid voor infecties.
In dit onderzoek hebben we een realistisch model ontwikkeld om effecten van diesel uitlaatgassen op het luchtwegepitheel te onderzoeken. Hiertoe werden epitheelcellen geïsoleerd uit de luchtwegen van COPD patiënten en controles, en gekweekt op een zodanige manier dat ze lijken op het epitheel in de longen. Om het astma epitheel na te bootsen, werden cellen van controle personen gedurende 2 weken blootgesteld aan de stof IL-13 om de allergisch luchtwegontsteking bij astma na te bootsen. Deze celkweken werden blootgesteld aan uitlaatgassen van realistische dieselmotoren. Hiertoe werd tevens een tijdelijk biologisch laboratorium gebouwd bij een TNO faciliteit in Helmond, om ook het effect van een moderne stadsbus motor te kunnen bestuderen.

Ons onderzoek laat zien dat epitheelcellen een kenmerkende reactie vertonen op blootstelling aan diesel: een reactie die er op gericht om beter om te gaan met de oxidanten in dieseluitlaatgassen, een stress response en een ontstekingsrespons. Daarnaast leidde blootstelling tot een afname in de afweer tegen infecties. Het interessante is dat deze reacties ook optreden na blootstelling aan sigarettenrook.
Ons onderzoek bracht geen opmerkelijke verschillen tussen de kweken van de verschillende groepen naar voren, en op grond hiervan lijkt het dat de lokale omstandigheden in de long van groter belang zijn voor het verklaren van de grotere gevoeligheid bij COPD en astma patiënten dan de epitheelcellen zelf. Daarnaast leverde ons onderzoek aanwijzingen de dieselconcentratie belangrijker is voor het bepalen van het effect op de epitheelcellen dan duur van de blootstelling.

Samenvattend heeft ons onderzoek een realistisch model opgeleverd voor het onderzoeken van de effecten van dieseluitlaatgassen bij astma en COPD, dat laat zien dat deze uitlaatgassen een markante reactie in epitheelcellen teweegbrengt die sterk lijkt op die van blootstelling aan sigarettenrook. Deze reactie wordt gekenmerkt door epitheliale stress en ontsteking, en een afname in de afweer tegen.

Abstract

The lung is exposed to a large volume of inhaled air that contains numerous particles and gases. A large number of studies have shown an association between levels of various air pollutants and hospita! admissions. Traffic emissions that result from the cambustion of fossil fuels constitute a major souree of air pollution, especially those from diesel engines. There is concern that exposures can not only contribute to the development of obstructive lung diseases and allergies, but may also cause exacerbations, as has been demonstrated in several studies. The impact of air pollution caused by diesel may be greater on patients with asthma and COPD. lndeed, studies show that airway epithelial cells from asthma and COPD patients secrete more pro-inflammatory mediators and are more vulnerable to toxic and microbial exposures, even when cultured in vitro. lt is unknown how acute exposures to diesel exhaust (DE) emission can induce an exacerbation of asthma. Furthermore, no data are available on the relative importance of DE exposure concentratien and duration. The aim of the present study was to study the sensitivity of bronchial epithelial cells from COPD and asthma patients compared to cells from healthy subjects, and to explore underlying mechanisms.

Using well-differentiated air-liquid interface cultures from well-characterized COPD donors and controls, and using IL-13 differentiated cultures to mimic allergie airway inflammation in asthma, we were able to campare donor responses. By using a Vitrocell® system, cultured cells were exposed at the air-liquid interface in a controllable way to complex DE mixtures (particles and gases) that were generated by modernandrelevant diesel engines. Toalso evaluate the effect of a modern city bus diesel engine (with after-treatment device), a temporary biologica! Iaberatory was constructed at the TNO 'Powertrain test centre' in Helmond. Our results show that already a one hour exposure to whole diesel exhaust (OE) results in activatien of an oxidative stress response, the integrated stress response and production of the pro-inflammatory IL-8/CXCL8. Furthermore, DE impaired the ability of non-typeable Haemophilus influenzae to increase expression of antimicrobial peptides. These responses were remarkably similar to those observed after cigarette smoke exposure. Only prolonged DE exposures (several hours) result in loss of barrier tunetion and cytotoxicity. We did not obtain evidence that cells from COPD and asthma patients would show a much different response than controls, indicating that the local (pro-inflammatory) environment in the lung may be a strenger determinant of the enhanced sensitivity of these patients to diesel exposures than properties of epithelial cells that persist in culture. We also demonstrated that concentratien of DE has a larger adverse effect than the exposure duration at a constant exposure 'dose'. This indicates that a short exposure to diesel is more detrimental than longer exposure to a lower concentratien (but the same dose). Finally, we also showed the feasibility of using a tetra-culture of epithelial, endothelial and mast cells as well as macrophages for studying the effects of diesel exposure on the lung mucosa.

Our results may help in providing guidance to COPD and asthma patients with respect to preventive measures, aimed at avoiding high risk situations in traffic. In addition, further understanding of the effect of diesel exposure on epithelial cell tunetion in healthy subjects and patients as provided by our studies
may lead to novel targets for treatment.

  • Bedrag:
    250.000,00
  • Looptijd:
    4 jaar,
  • Soort subsidie:
    Research Project
  • Andere aanvragers/partners:
    prof Dr P.S. Hiemstra
  • Projectnummer:
    3.2.11.009