Onderzoeksproject P7/30 (Onderzoeksactie P7)
I. DOMEIN en STAND VAN ZAKEN
Astma en Chronisch Obstructief Longlijden (Chronic Obstructive Pulmonary Disease of COPD) zijn prevalente aandoeningen van de onderste luchtwegen, die wereldwijd significante morbiditeit en mortaliteit veroorzaken en een aanzienlijke socio-economische last betekenen 1,2. Deze onderste luchtwegaandoeningen staan in verband met aandoeningen van de bovenste luchtwegen zoals chronische rhinosinusitis en neuspoliepen (concept van “United Airways”). Deze luchtwegaandoeningen zijn heterogene ziekten, en de onderliggende pathofysiologische mechanismen die bijdragen tot specifieke fenotypes zijn weinig gekarakteriseerd3-5. De blootstelling aan omgevingsfactoren en genetische voorbestemdheid, zoals aangetoond in “Genome Wide Association Studies” (GWAS)6,7, zijn belangrijke determinanten in de ontwikkeling van chronische luchtwegaandoeningen. Recent werd door cultuuronafhankelijke microbiologische technieken een gewijzigde microbiële aanwezigheid (microbioom) in de lagere luchtwegen van astma and COPD patiënten aangetoond8,9.
II. VERWEZENLIJKINGEN
De laatste 5 jaar, heeft het AIREWAY consortium verscheidene muismodellen van allergische luchtweginflammatie (e.g. met ovalbumin en huisstofmijt als allergenen; met tolueen diisocyanaat als chemisch agens) en van blootstelling aan luchtpollutie (e.g. sigarettenrook, dieseluitlaatpartikels) op punt gesteld10,11. We onderzochten in vivo het belang van omgevingsfactoren in de initiatie en het tot stand komen van luchtweginflammatie12,13. Met een chronisch COPD model, onderzochten we de mechanismen betrokken in lymfoid neogenese en ziekte persistentie14,15. We deden ook translationeel onderzoek, met behulp van sputum stalen (e.g. bepalen van cytokine mRNA profielen in astma en microRNA profielen in COPD), neuspoliepen en longweefsels om inzicht te verwerven in de mechanismen die betrokken zijn bij chronische luchtwegaandoeningen16-19.
III. HOOFDDOELSTELLINGEN
Het acroniem AIREWAY II (Belang en interactie van Allergie, Infecties and Respiratoire blootstelling aan Omgevingsfactoren [Environment] in de ontwikkeling en chroniciteit van onderste en bovenste luchtweg [airWAY] aandoeningen) beschrijft de hoofddoelstellingen van dit project, en bouwt verder op het P6/35 AIREWAY project dat gestart werd in 2007. Met deze interuniversitaire samenwerking, zullen we de cellulaire en moleculaire mechanismen ontrafelen die aan de basis liggen van aandoeningen van de onderste (astma and COPD) en bovenste (chronische rhinosinusitis en nasal poliepen) luchtwegen, met specifieke aandacht voor de heterogeniteit van deze aandoeningen en met combineren van zowel moleculaire expertise, muismodellen en humane stalen van de verschillende partners van het consortium. Bevindingen van basisonderzoek, dat gebruik maakt van proefdiermodellen, zal gevalideerd worden door translationeel onderzoek op kostbare humane stalen. Vice versa, zullen hypothesen die gegenereerd werden door observaties in de mens getoetst worden op moleculair niveau door gebruik te maken van proefdiermodellen in vivo en humane celculturen in vitro.
IV. METHODOLOGIE
Het consortium heeft meerdere sterktes. Ten eerste: de partners hebben jarenlange ervaring met verscheidene in vivo dierenmodellen van luchtwegaandoeningen, die representatief zijn voor de heterogeniteit van deze aandoeningen bij de mens (e.g. eosinofiele vs. neutrofiele astma). Ten tweede: de verschillende teams zijn complementair in expertise en uitrusting, die gedeeld wordt binnen het consortium (e.g. bepalen van bronchiale hyperreactiviteit (BHR), neurogene inflammatie, flow cytometrie, cellulaire en moleculaire in vitro studies op humane primaire weefsels en celculturen). Ten derde: om klinische relevantie te garanderen, hebben de onderzoeksgroepen grote biobanken aangelegd van serum, sputum, neuspoliepen en longweefsel van verscheidene goed gekarakteriseerde patiëntengroepen (COPD, verscheidene astma fenotypes, neuspoliepen en chronische rhinosinusitis). Ten slotte: twee excellente internationale partners zijn toegetreden tot het AIREWAY II consortium, met specifieke expertise in epigenetica en oxidatieve stress (I. Adcock, London, UK) en in functionele genomics en proteomics (U. Völker, Greifswald, Germany)
V. SPECIFIEKE DOEKSTELLINGEN
Onderzoek naar de mechanismen waarop allergenen, omgevingspollutie en microbiële agentia de ontwikkeling van onderste en bovenste luchtwegaandoeningen initiëren en ziekte persistentie beïnvloeden
We stellen als hypothese voorop dat volgende mechanismen, allen beïnvloed door omgevingsfactoren, een cruciale rol spelen in de ontwikkeling van luchtwegaandoeningen:
1) Transient Receptor Potential (TRP) kanalen vormen een familie van ionenkanalen die functioneren als moleculaire sensoren van tal van fysische en chemische stimuli. In de luchtwegen worden ingeademde schadelijke partikels en componenten van sigarettenrook (e.g. nicotine, acroline en oxiderende agentia) waargenomen door TRPA1 in luchtweg sensoriële zenuwen, hetgeen resulteert in neurogene inflammatie en BHR20,21. Onze hypothese is dat het waarnemen van allergenen en omgevingspollutie door TRP kanalen de ontwikkeling van BHR en obstructieve luchtwegaandoeningen beïnvloeden.
2) Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs) zijn moleculen die specifiek gerelateerd zijn met microben, terwijl Damage Associated Molecular Patterns (DAMPs) moleculen zijn die vrijgesteld worden van beschadigde of stervende cellen5. De herkenning van PAMPs en DAMPs door Pattern Recognition Receptors (PRR) is kritisch in het mediëren van inflammatoire reacties ten op zichte van infectie en steriele weefselschade. Onze hypothese is dat blootstelling aan allergenen, microben of pollutie leidt tot activatie van PRR, hetzij direct (PAMPs) hetzij indirect door het veroorzaken van (epitheliale) celschade (DAMPs), hetgeen de ontwikkeling van obstructieve luchtwegaandoeningen beïnvloedt.
3) De blootstelling aan omgevingsfactoren beïnvloedt het fenotype van chronische luchtwegaandoeningen, hetgeen deels de heterogeniteit bij de patiënten verklaart. We stellen als hypothese voorop dat gewijzigde immunologische en moleculaire mechanismen aan de grondslag liggen van de fenotypes in obstructieve luchtwegaandoeningen. We willen ons concentreren op de rol van defecten in de inductie van allergen-specifieke regulatoire T-cellen, op de rol van B-lymfocyten en op de rol van regulatoire moleculen, zoals proteasen, in ziekte persistentie. We stellen ook voorop dat identificatie van moleculaire merkers (e.g. proteomics van sputum en vluchtige componenten in uitgeademde lucht) zal leiden tot identificatie van interessante fenotypes in obstructive luchtwegaandoeningen.
4) Epigenetische wijzigingen zijn veranderingen in genfunctie, die niet gecodeerd zijn in het DNA (e.g. DNA methylatie, histon acetylatie en microRNAs), en die uitgelokt worden door omgevingsfactoren (e.g. luchtpollutie, sigarettenrook)22. We stellen als hypothese voorop dat epigenetische veranderingen geïnduceerd worden in de onderste en bovenste luchtwegen en het ziekteproces beïnvloeden.
Read outs: We zullen rol van bovenvermelde mechanismen in de verschillende ziektefenotypes onderzoeken, gebruik makend van hun respectievelijke muismodellen en van patiëntenstalen. In de muismodellen, zullen we longfunctie (BHR) uitvoeren, TRP functionaliteit bestuderen en inflammatie (flow cytometrie, immunohistochemie) en remodeling evalueren. Op moleculair niveau, zullen we de vrijstelling van DAMPs, cytokines en chemokines (ELISA en RT-PCR) in muis en humane stalen bepalen. Op cellulair niveau, zullen we de rol van antigen presenterende cellen (dendritische cellen), macrofagen en het epitheel in initiatie van de ziekte, evenals het belang van T- en B-cellen in het orchestreren van de inflammatie onderzoeken. In mechanistische studies zullen we eiwitten of gentranscripten van interesse blokkeren (e.g. receptoren, epitheel afgeleide mediatoren en proinflammatoire cytokines) met specifieke monoclonale antilichamen, antagonisten of siRNA. Dit zal zowel met in vitro als in vivo experimenten gebeuren. Daarenboven, zullen we gebruik maken van genetisch gemodificeerde muizen met over-expressie of (constitutieve of conditionele) onderdrukking van specifieke genen. Bij de epigenetica zullen we vooral DNA methylatie profielen, histone acetylatie en microRNA profielen bepalen en de rol van differentieel geëxpresseerde microRNAs in vitro en in vivo bestuderen (e.g. door gebruik van antagomirs of microRNAs).
VI. REFERENCES (* with authors from the consortium)
1. Pauwels, R. A. & Rabe, K. F. Burden and clinical features of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Lancet 364, 613-620 (2004).*
2. Global Initiative for Asthma. Www.ginasthma.org.
3. Wenzel, S. E. Asthma: defining of the persistent adult phenotypes. Lancet 368, 804-813 (2006).
4. Moore, W. C. et al. Identification of asthma phenotypes using cluster analysis in the Severe Asthma Research Program. Am. J. Respir. Crit Care Med. 181, 315-323 (2010).
5. Brusselle, G. G., Joos, G. F. & Bracke, K. R. New insights into the immunology of chronic obstructive pulmonary disease. Lancet 378, 1015-1026 (2011).*
6. Hancock, D. B. et al. Meta-analyses of genome-wide association studies identify multiple loci associated with pulmonary function. Nat. Genet. 42, 45-52 (2010).*
7. Moffatt, M. F. et al. A large-scale, consortium-based genomewide association study of asthma. N. Engl. J. Med. 363, 1211-1221 (2010).
8. Hilty, M. et al. Disordered microbial communities in asthmatic airways. PLoS. One. 5, e8578 (2010).
9. Erb-Downward, J. R. et al. Analysis of the lung microbiome in the "healthy" smoker and in COPD. PLoS. One. 6, e16384 (2011).
10. Vanoirbeek, J. A. et al. How long do the systemic and ventilatory responses to toluene diisocyanate persist in dermally sensitized mice? J. Allergy Clin. Immunol. 121, 456-463 (2008).*
11. Provoost, S. et al. Diesel exhaust particles stimulate adaptive immunity by acting on pulmonary dendritic cells. J. Immunol. 184, 426-432 (2010).*
12. Robays, L. J. et al. Concomitant inhalation of cigarette smoke and aerosolized protein activates airway dendritic cells and induces allergic airway inflammation in a TLR-independent way. J. Immunol. 183, 2758-2766 (2009).*
13. Provoost, S., Maes, T., Joos, G. F. & Tournoy, K. G. Monocyte-derived dendritic cell recruitment and allergic T(H)2 responses after exposure to diesel particles are CCR2 dependent. J. Allergy Clin. Immunol. (2011).Epub*
14. Demoor, T. et al. Role of lymphotoxin-alpha in cigarette smoke-induced inflammation and lymphoid neogenesis. Eur. Respir. J. 34, 405-416 (2009).*
15. Demoor, T. et al. The role of ChemR23 in the induction and resolution of cigarette smoke-induced inflammation. J. Immunol. 186, 5457-5467 (2011).*
16. Manise, M. et al. Cytokine production from sputum cells and blood leukocytes in asthmatics according to disease severity. Allergy 65, 889-896 (2010).*
17. Bachert, C. et al. Presence of IL-5 protein and IgE antibodies to staphylococcal enterotoxins in nasal polyps is associated with comorbid asthma. J. Allergy Clin. Immunol. 126, 962-8, 968 (2010).*
18. Provoost, S. et al. Decreased FOXP3 protein expression in patients with asthma. Allergy 64, 1539-1546 (2009).*
19. Pottelberge, G. R. et al. MicroRNA expression in induced sputum of smokers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Am. J. Respir. Crit Care Med. 183, 898-906 (2011).*
20. Andre, E. et al. Cigarette smoke-induced neurogenic inflammation is mediated by alpha,beta-unsaturated aldehydes and the TRPA1 receptor in rodents. J. Clin. Invest 118, 2574-2582 (2008).
21. Talavera, K. et al. Nicotine activates the chemosensory cation channel TRPA1. Nat. Neurosci. 12, 1293-1299 (2009).*
22. Adcock, I. M., Tsaprouni, L., Bhavsar, P. & Ito, K. Epigenetic regulation of airway inflammation. Curr. Opin. Immunol. 19, 694-700 (2007).*
