Inflammation, coagulation and their interaction

  • Naam promovendus: Drs F.E. Aleva
  • Instituut Universiteit: Aleva
  • Datum van promotie: 20-11-2017
  • Proefschrift afgesloten

In COPD spelen comorbiditeiten een belangrijke rol en met name de cardiovasculaire ziekten hebben een belangrijke impact op de gezondheid van COPD-patiënten. Naar schatting wordt ongeveer de helft van de ziekenhuisopnames van COPD-patiënten veroorzaakt door cardiovasculaire comorbiditeiten en een kwart van de sterfgevallen. Zowel arteriële als veneuze trombose komt vaak voor bij COPD en wanneer dit zich voordoet, heeft dit een aanzienlijke verslechtering van de gezondheidstoestand tot gevolg. COPD is een inflammatoire aandoening en we weten dat er intensieve interactie tussen ontsteking en stolling bestaat. Deze interactie is in COPD nog niet uitgebreid bestudeerd. Het doel van dit academische proefschrift was daarom om de interactie tussen ontsteking en stolling te onderzoeken in COPD-patiënten en om te onderzoeken of deze interactie kan worden beïnvloed.

In Hoofdstuk 2 van dit proefschrift kijken we naar de aanwezigheid van longembolieën bij patiënten met een acute exacerbatie van COPD. In de literatuur is het voorkomen van deze longembolieën verscheidene malen gerapporteerd, echter er bestaat nog geen duidelijke consensus over hoe vaak dit gemiddeld voorkomt. In deze studie hebben we een systematische analyse uitgevoerd van de reeds gepubliceerde studies en gevonden dat de prevalentie van longembolieën bij patiënten met een onverklaarde exacerbatie van COPD rond de 16% procent ligt. Bovendien is twee-derde van deze longembolieën groter dan subsegmenteel en daarmee klinisch relevant. Volgens de huidige richtlijn moeten deze longembolieën behandeld worden om sterfte en recidieven te voorkomen. Vervolgens hebben we verschillende studies uitgevoerd die het onderliggende mechanisme voor het toegenomen risico op cardiovasculaire aandoeningen onderzochten, zij zullen in de volgende hoofdstukken besproken worden.

In Hoofdstuk 3 is de functie van bloedplaatjes, bloedplaatjes-monocyt interactie en markers voor stolling vergeleken tussen patiënten met een stabiel COPD en gezonde proefpersonen. We vonden meer interactie tussen bloedplaatjes en monocyten in COPD-patiënten, in afwezigheid van plaatjeshyperreactiviteit. Plaatjeshyperreactiviteit speelt een belangrijke rol bij arteriële trombose en bloedplaatjes-remmers vormen een belangrijke therapie om o.a. hartaanvallen en beroertes te voorkomen. Interactie tussen plaatjes en monocyten speelt eveneens een rol, doordat het bijdraagt aan het ontstaan van atherosclerose en plaque instabiliteit. Deze bevinding was opmerkelijk, omdat plaatjes-monocyt interactie en plaatjeshyperreactiviteit vaak samengaan. De mate van stolling was gelijk in COPD-patiënten en gezonde proefpersonen. In afwezigheid van functionele veranderingen in bloedplaatjes stelden we dat deze interactie mogelijk veroorzaakt wordt door toegenomen activatie van monocyten. Daarnaast was de vraag hoe bloedplaatjes en monocyten met elkaar interacteren en hoe bloedplaatjes functioneren gedurende acute exacerbaties van COPD nog onbeantwoord gebleven.

In de hierop volgende studie, Hoofstuk 4, zijn we hier verder op ingegaan. De hypothese luidde dat onder invloed van ontsteking, meer bloedplaatjes-monocyten interactie zou bestaan tijdens exacerbaties van COPD in vergelijking tot de herstelperiode daarna. Patiënten met een exacerbatie van COPD werden tijdens hun opname onderzocht en tijdens een poliklinische controle, 6 tot 10 weken later. In tegenstelling tot onze hypothese vonden we minder bloedplaatjes-monocyt interactie tijdens acute exacerbaties van COPD. Er was tevens sprake van een inverse correlatie met monocyt-activatie marker MAC-1, wat het minder waarschijnlijk maakt dat monocyt activatie via deze receptor een cruciale rol speelt in bloedplaatjes-monocyt interactie. Het beperkte aantal patiënten dat in deze studie geïncludeerd kon worden was een belangrijke beperking en daarom moeten we voorzichtig zijn met de bevindingen van deze studie.

In Hoofdstuk 5 is gekeken naar de rol van Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) in bloedplaatjes functie en bloedplaatjes productie. Een recente studie liet in een muismodel zien dat STAT3 een cruciale rol speelde in bloedplaatjes activatie via de collageen pathway. In gezonde proefpersonen werd dit ook getoond met behulp van een STAT3-remmer. Deze bevinding is interessant, omdat STAT3 vaak wordt geassocieerd met inflammatoire aandoeningen, waaronder COPD en cardiovasculaire ziekten. Om de relevantie van deze bevindingen verder te valideren in mensen hebben we deze pathway onderzocht in patienten met een defect in STAT3 functie en in gezonde proefpersonen. De patiënten lijden aan het autosomaal-dominant Hyper IgE syndroom, een immuunstoornis die resulteert in recidiverende infecties met o.a. stafylokokken bacteriën en schimmels.
We vonden in de patienten met een defect in STAT3 functie inderdaad minder bloedplaatjes activatie en een lagere respons bij het stimuleren van de collageen pathway. Verdere experimenten naar de onderliggende mechanismen liet zien dat een andere pathway, de ADP-pathway, dit defect grotendeels maskeerde. Na remming van de ADP pathway ex vivo met apyrase bleek dat bij de patienten bloedplaatjes activatie nauwelijks toenam na stimulatie van de collageen pathway, terwijl dit in gezonde proefpersonen in veel mindere mate optrad.

In een tweede cohort van gezonde proefpersonen hebben we verschillende SNPs in STAT3 onderzocht. De SNPs in STAT3 beïnvloedde de mate van bloedplaatjes activatie niet. Verder onderzoek moet uitwijzen of STAT3 leidt tot meer bloedplaatjesactivatie in inflammatoire aandoeningen waarvan gesuggereerd wordt dat STAT3 activiteit is toegenomen. Dit effect zou potentieel bij kunnen dragen aan het ontwikkelen van cardiovasculaire aandoeningen. Onze data zijn tevens relevant in de context van de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen die STAT3 of zijn voorloper JAK2 remmen. Deze medicijnen worden momenteel in onderzoeksverband geëvalueerd voor hun effecten in oncologische aandoeningen. Deze middelen zouden potentieel kunnen leiden tot een verhoogd bloedingsrisico, zeker bij patienten die gelijktijdig behandeld worden met bloedplaatjesremmers die aangrijpen op de ADP pathway, zoals Ticagrelor en Clopidogrel.

Een andere factor die invloed zou kunnen hebben op bloedplaatjesactivatie en reactiviteit is vitamine D. Cardiovasculaire aandoeningen gaan vaak samen met een vitamine D-tekort en bovendien is er een seizoensgebonden patroon van het voorkomen van o.a. hartaanvallen die overeen lijkt te komen met de wisselingen in de vitamine D-spiegels in het bloed. In zowel Hoofdstuk 6 als Hoofdstuk 7 worden de effecten van vitamine D geëvalueerd. Hoofdstuk 6 beschrijft het design van de PRECOVID-studie, een gerandomiseerde klinische studie die primair de effecten van vitamine D-suppletie op exacerbaties van COPD bij patienten met een 25-hydroxyvitamine D spiegel < 50nmol/L onderzoekt. De secundaire uitkomstmaten zijn onder andere de effecten van deze therapie op immuunrespons, opbouw van immuun cel populaties en de functie van bloedplaatjes. Patienten worden behandeld met vitamine D3 met een dosis van 16800 internationale eenheden per week of placebo voor 1 jaar. De eerste resultaten van deze studie naar de effecten van vitamine D bij patienten met COPD worden verwacht in 2019.

In Hoofdstuk 7 wordt de associatie tussen de bloedspiegel van 25-hydroxyvitamine D en bloedplaatjesfunctie onderzocht. Ondanks dat er een duidelijke relatie is tussen 25-hydroxyvitamine D en cardiovasculaire ziekten zijn de directe effecten op bloedplaatjes nog nauwelijks bestudeerd. We zijn de eerste die een inverse correlatie tussen 25-hydroxyvitamine D en bloedplaatjes activatie van integrin aIIbß3 laten zien in een groot cohort van gezonde proefpersonen, te weten het 500FG cohort. Zowel in ongestimuleerde samples, als samples gestimuleerd met CRP-XL werd een inverse correlatie gevonden met de binding van fibrinogen aan integrin aIIbß3 op bloedplaatjes. Deze associatie was met name significant voor proefpersonen met een 25-hydroxyvitamine D < 50nmol/L. We vonden geen verschil tussen een normaal vitamine D (>75nmol/L) en een relatieve vitamine D insufficientie (50nmol/L-75nmol/L), wat suggereert dat er sprake is van een zekere drempel. Daarnaast hebben we naar verschillende SNPs gerelateerd aan de vitamine D pathway gekeken en 9 van de 31 SNPs die aanwezig waren in de dataset hadden een associatie met vitamine D.

De bovengenoemde associatie tussen vitamine D en bloedplaatjesfunctie hoeft niet te betekenen dat zij in direct verband met elkaar staan. Causal inference analysis liet geen causaal verband zien, echter dit kan te maken hebben met het kleine effect in combinatie met de omvang van het cohort. Critici stellen dat vitamine D mogelijk niet direct betrokken is bij het ontstaan van cardiovasculaire aandoeningen, maar meer als epifenomeen optreedt. Mensen met een slechte gezondheidsstatus komen mogelijk minder buiten, hebben weinig beweging en mogelijk een minder gevarieerd dieet; factoren die allen bijdragen aan een vitamine D-tekort, maar ook aan het ontwikkelen van cardiovasculaire aandoeningen. Het risico op cardiovasculaire aandoeningen zou dan niet zozeer door het lage vitamine D bepaald worden, maar door de bovengenoemde nevenfactoren. Daarnaast laten verschillende studies die patienten met vitamine D behandelen om cardiovasculaire ziekten te voorkomen niet een onomstreden voordeel zien van vitamine D-therapie. Studies zoals de PRECOVID-studie zijn van cruciaal belang om niet alleen de effecten van behandeling met vitamine D bij COPD patienten te evalueren maar ook om inzicht te krijgen in het exacte werkingsmechanisme.

De laatste wetenschappelijke studie in dit proefschrift beschrijft de effecten van roken op het immuunsysteem van gezonde vrijwilligers en is beschreven in Hoofdstuk 8. Ondanks dat verschillende mondiale initiatieven proberen om tabaksgebruik terug te dringen is het roken van tabak nog steeds gebruikelijk en er zijn momenteel zo’n miljard rokers wereldwijd. Roken beïnvloedt elk orgaan in het menselijk lichaam en draagt bij aan het ontstaan van vele aandoeningen. Sommige aandoeningen ontwikkelen zich lokaal, zoals COPD en longkanker, terwijl andere aandoeningen zich buiten het bereik van de long ontwikkelen.

Men denkt dat dysregulatie van het immuunsysteem ten grondslag ligt aan veel roken gerelateerde ziekten. De effecten van tabaksrook op het immuunsysteem zijn uitvoerig onderzocht, echter, studiedesigns verschillen enorm. Sommige studies richten zich bijvoorbeeld op specifieke componenten van tabak, zoals nicotine, terwijl andere naar specifieke cellijnen in de long of in het bloed kijken. Daarnaast wordt onderzoek zowel in mensen als in niet-humane organismen verricht. Een uitgebreide studie naar de effecten van roken op immuuncellen in bloed ontbrak nog en deze is door ons verricht in het 500FG cohort, waarin rokers, ex-rokers en niet rokers aan elkaar gematched werden.

We vonden dat in rokers, in vergelijking met niet rokers, verschillende immuuncel populaties waren toegenomen. Monocyten, met name klassieke monocyten, waren toegenomen in populatie en er bestond een positieve correlatie met het aantal gerookte pack years. De productie van monocyt-afkomstige ontstekingscytokines na ex vivo LPS stimulatie, daarentegen, was gedaald. Ook in het adaptieve immuunsysteem waren verscheidene populaties verandert, zoals het aantal CD4 en CD8 positieve central memory (CM) cellen en CD4 positieve effector memory (EM) cellen. Deze observatie komt voor samen met een toename van regulatoire T cellen, de natuurlijke rem op het immuunsysteem. Regulatoire T cellen waren bovendien meer geactiveerd en vertoonden een verder gedifferentieerd fenotype dan bij niet rokers. IL-6 en hsCRP, markers voor systemische inflammatie, waren niet verschillend tussen rokers en niet rokers, terwijl er wel een correlatie was met pack years. Dit voedt onze gedachte dat roken enerzijds leidt tot dysfunctie van het immuunsysteem, terwijl het wel in verhoogde mate ontsteking geeft. De correlatie van inflammatoire markers met pack years doet vermoeden dat bij langdurige en/of intensief tabaksgebruik de balans verschuift naar een meer pro-inflammatoir fenotype. Tussen ex-rokers en niet rokers werd geen enkel verschil gezien in immuuncellen, wat het belang van het stoppen-met-roken opnieuw benadrukt.

Samengenomen laat deze studie belangrijke effecten zien van het roken op het immuunsysteem van gezonde proefpersonen en heeft het overlap met bevindingen in roken gerelateerde aandoeningen. Deze gegevens dragen niet alleen bij aan de kennis over de consequenties van roken, maar kunnen mogelijk ook pathofysiologische pathways onderliggend aan roken gerelateerde aandoeningen identificeren. Zo zijn in COPD ook toegenomen populaties van CD4 en CD8 positieve cellen gevonden en dit correleerde met GOLD stadium en exacerbaties van COPD. In cardiovasculaire ziekten zouden CD4 positieve EM cellen correleren met markers voor atherosclerose. Verder onderzoek naar immuuncellen in deze aandoeningen is uitermate belangrijk om in beeld te krijgen welke mechanismen de overhand krijgen en resulteren in roken-gerelateerde ziekten.

CONCLUSIE
In dit academische proefschrift werd de interactie tussen ontsteking en stolling in patienten met COPD onderzocht en gekeken of deze interactie kan worden beïnvloed. We vonden dat longembolien vaak voorkomen bij patienten met onverklaarde exacerbaties van COPD en de meerderheid van deze longembolien heeft belangrijke klinische consequenties. Verder onderzoek naar de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor trombose in COPD liet geen verschillen zien in markers van plasmatische stolling in stabiel COPD. Bloedplaatjes-monocyt interactie, daarentegen, was toegenomen in stabiel COPD, en dit versterkt mogelijk de ontwikkeling van artherosclerose en plaque instabiliteit, factoren die bijdragen aan de ontwikkeling van trombotische cardiovasculaire ziekten. Roken speelt ook een belangrijke rol bij het ontstaan van COPD en atherosclerosis en we laten zien dat roken de populaties van circulerende immuun cellen, inclusief monocyten, significant beïnvloedt in een groep van gezonde vrijwilligers. Tijdens exacerbaties van COPD was er een minder sterke bloedplaatjes-monocyt interactie en we vonden, zoals tijdens stabiele COPD, geen indicaties voor verhoogde bloedplaatjes reactiviteit. Deze bevindingen maken het niet waarschijnlijk dat plaatjes-monocyt interactie belangrijk is voor het verhoogde risico op cardiovasculaire ziekten tijdens AE-COPD.

Er zijn verschillende factoren die bloedplaatjes functie kunnen beinvloeden. STAT3 is betrokken bij glycoproteine VI-gemedieerde bloedplaatjes activatie. 25-hydroxyvitamin D lijkt eveneens een rol te spelen, doordat het een inverse correlatie toonde met fibrinogeen binding met integrin aIIbß3 op bloedplaatjes. Dit was het sterkst uitgesproken bij glycoproteine VI-gemedieerde activatie. Ondanks dat we ons in toenemende mate bewust zijn van de trombotische complicaties bij COPD, moet verder onderzoek leiden tot methoden om de interactie tussen stolling en ontsteking te beïnvloeden om zo cardiovasculaire ziekten bij COPD te voorkomen. Klinische studies zoals de PRECOVID-studie kunnen hier in de toekomst aan bijdragen.

Voortgekomen uit onderzoek 5.1.13.033