Epitheel cellen alarmeren het afweersysteem in COPD –de basis voor COPD gevoeligheid?

  • Naam promovendus: Dr M.C. Nawijn
  • Instituut Universiteit: UMCG

Onze hypothese is dat de alarmsignalen die vrijkomen uit afstervende cellen na rookblootstelling de luchtweg epitheelcellen aanzetten tot het activeren van het afweersysteem en daarmee een ontstekings-reactie in de long uitlokken, en dat deze epitheliale-alarm route verschilt tussen COPD-gevoelige en ongevoelige personen. Het doel van dit onderzoek is vast te stellen wat deze verschillen zijn.

Chronische obstructieve longziekte (COPD) is een progressieve aandoening die gekenmerkt wordt door een abnormale ontstekingsreactie in de luchtwegen door sigaretten rook (SR). Tot op heden is er nog weinig bekend over het ontstaan van deze abnormale ontstekingsreactie. SR leidt tot afname van de longfunctie, maar slechts een op de vijf rokers is gevoelig voor het ontwikkelen van COPD. Waarom krijgt maar 20% van de rokende mensen uiteindelijk COPD? Dit weet niemand. Wij willen de hypothese testen dat de reactie van de long op de SR blootstelling het verschil maakt tussen het wel of niet ontwikkelen van de ziekte.
Het ontstaan van COPD begint met de schade aan de luchtwegen als gevolg van SR(1). Deze schade aan de cellen die de luchtwegen bekleden (epitheelcellen) kan cel-dood veroorzaken. Afhankelijk van de manier waarop cellen dood gaan kunnen ‘alarmsignalen’ vrijkomen: signaalstoffen die het afweersysteem alarmeren, waardoor een ontstekingsreactie ontstaat(2;3). Recent hebben wij in weefselkweek aangetoond dat blootstelling van epitheelcellen aan SR leidt tot een type celdood waarbij een groot aantal alarm-signalen vrijkomt(4). We hebben ook aangetoond dat deze alarmsignalen de andere, levende epitheelcellen aanzetten tot het activeren van het afweersysteem. Ook in COPD patiënten zijn de spiegels van een aantal verschillende alarmsignalen verhoogd in de longen(5;6). Aangezien dit proces theoretisch in alle rokende kan optreden, is het van belang om te onderzoeken wat de verschillen zijn in deze route tussen rokende personen die al dan niet COPD ontwikkelen. Dit is één van de doelstellingen van dit onderzoek.
Recente studies tonen aan dat COPD patiënten relatief ongevoelig zijn voor inhalatie glucocorticosteroïden (GCS)(5). Wij hebben gevonden dat de activatie van het afweersysteem via de epitheliale-alarm route slecht te remmen is met GCS. Als we kunnen vaststellen dat deze epitheliale-alarm route inderdaad ten grondslag ligt aan de chronische ontsteking bij COPD kan dit een verklaring bieden voor de geringe effectiviteit van GCS in de meeste COPD patiënten. Bovendien kunnen we dan ook gaan onderzoeken op welke manier we deze epitheliale-alarm route wel kunnen blokkeren. Dit zou dan uiteindelijk kunnen helpen bij het vinden van een nieuwe aanpak voor het behandelen van COPD patiënten.

Hypothese en doel
Onze hypothese is dat de alarmsignalen die vrijkomen uit afstervende cellen na rookblootstelling de luchtweg epitheelcellen aanzetten tot het activeren van het afweersysteem en daarmee een ontstekings-reactie in de long uitlokken, en dat deze epitheliale-alarm route verschilt tussen COPD-gevoelige en ongevoelige personen. Het doel van dit onderzoek is vast te stellen wat deze verschillen zijn.
De volgende onderzoeksvragen zullen worden onderzocht:
1. Zijn er verschillen in de alarmsignaal route van luchtwegepitheelcellen tussen COPD-gevoelige en ongevoelige personen?
Dit zal worden onderzocht door te bestuderen of luchtwegepitheelcellen van COPD-gevoelige en ongevoelige personen anders reageren op sigarettenrook.
2. Zijn deze alarmsignalen in staat om een GCS-ongevoelige luchtwegontsteking te induceren?
Deze meer mechanistische vraagstellingkan alleen in proefdiermodellen worden opgelost. Wij hebben rook-gevoelige en ongevoelige stammen geïdentificeerd. Nu willen we onderzoeken of er een verschillende reactie is tussen de deze muizenstammen op het toedienen van de epitheliale alarmsignalen.

Abstract

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by a chronic inflammation of the airways triggered by cigarette smoke (CS), leading to progressive bronchitis or emphysema that causes a not fully reversible airflow limitation of the lungs(1;5). Recently, COPD was postulated to develop in a multi-step cascade initiated by cigarette smoke (CS)-induced injury of airway epithelial cells, inducing the release of danger signals(1;7;8). COPD develops in about 20% of the people that smoke, indicating a (genetic) susceptibility to the disease. We hypothesize that the susceptibility to develop COPD is strong determined by the activation of the innate immune response by airway epithelial cells upon CS exposure.
CS exposure induces cell damage and cell death. Cells entering necrotic cell death as well as inefficiently cleared apoptotic cells release damage-associated molecular patterns (DAMPs) that act as alarmins to activate cells of the innate immune system. Since CS exposure induces a shift from apoptosis to necrosis(4;9) as well as a reduced phagocytic capacity of alveolar macrophages(10;11), we hypothesized that CS exposure can induce DAMP release. Indeed, increased levels of DAMPs have been observed shortly after CS exposure(6), in line with our preliminary data. These DAMPs will activate lung resident cells such as the airway epithelium, culminating in the induction of an innate immune response. We hypothesize that this induction of an innate immune response upon CS exposure differs quantitatively or qualitatively between COPD-susceptible and COPD-resistant individuals. This difference can be at the level of the DAMPs released or the DAMP profile released by lung resident cells upon CS exposure, or at the level of the airway epithelial response to the released DAMPs.
In addition to the hypothesized differences between COPD susceptible and non-susceptible smokers, the epithelial-DAMP pathway might also explain the GCS insensitivity associated with the chronic inflammation in COPD(5). We have shown that the induction of pro-inflammatory cytokines by bronchial epithelial cells in response to DAMPs is insensitive to GCS inhibition. Since neutrophilic airway inflammation in response to short-term smoke exposure in vivo is GCS insensitive(12), we postulate that the activation of the innate immune response by airway epithelial cells in response to DAMPs contributes to the GCS insensitivity of the disease.
In order to test how the induction of innate immune response differs between COPD susceptible and non-susceptible individuals, we will use primary bronchial epithelial cell cultures (PBECs) and analyze the profile of DAMPs produced in response to CS as well as the pro-inflammatory response to DAMP exposure. We will perform side-by-side comparisons of PBECs isolated from COPD susceptible and non-susceptible smokers. In addition we will also evaluate the GCS-sensitivity of this response.
In addition to these in vitro studies with relevant primary human cells, we will test whether there are differences between smoke-susceptible and smoke-resistant inbred mouse strains in the profile of DAMPs produced in vivo in response to CS. Also, we will test whether DAMP exposure is sufficient to induce a neutrophilic airway inflammation, and whether this response differs between smoke-susceptible and resistant strains. Finally, we will analyze the pathways that contribute to these responses by employing the respective gene-targeted mouse strains.

  • Bedrag:
    249.687,00
  • Looptijd:
    3 jaar, 9 maanden en 30 dagen
  • Soort subsidie:
    Research Project
  • Andere aanvragers/partners:
    Dr A.J.M. van Oosterhout
    Dr N.H.T. ten Hacken
  • Projectnummer:
    3.2.11.025