Development and Resolution of Allergic Airway Inflammation in vivo: effects of therapeutic intervention

Abstract

Eosinophils, containing tissue toxic granule proteins, are regarded a culprit cell in asthma pathogenesis. Using animal and human experimental models of asthma effects on eosinophilic airway inflammation were investigated in vivo. The current research paradigm regarding spontaneous and steroid-induced clearance of airway tissue eosinophils exclusively involves death through apoptosis followed by phagocytosis of the apoptotic eosinophils. Since this paradigm is based on observations in vitro and in airway lumen, in vivo studies on occurrence of eosinophil apoptosis in airway tissues are urgently warranted. Using well-validated techniques we demonstrated that eosinophil apoptosis may not occur, not even at spontaneous or steroid-induced resolution of airway eosinophilic inflammation. Yet, by Fas-receptor stimulation in mouse allergic airways, we could for the first time produce apoptotic eosinophils in lung tissues. However, instead of being phagocytosed most apoptotic eosinophils underwent secondary necrosis. Fas-receptor stimulation also induced direct cytolysis of non-apoptotic eosinophils, a mode of death and degranulation that also occurs in asthma. Consequently, airway inflammation was greatly aggravated. Indeed, our in vivo studies involving Fas-induced eosinophil apoptosis turned a promising asthma treatment modality? into a mechanism causing exacerbation of airway inflammation. Furthermore, we demonstrated that eosinophil cell clearance in vivo involved trans-epithelial migration of cells into the airway lumen. This luminal entry mechanism allowed 350 000 eosinophils/cm2 airway mucosal surface to be cleared from the airway tissue each minute without affecting the epithelial integrity. Once in the lumen some eosinophils underwent apoptosis before being removed, likely by mucociliary clearance or coughing. Hence, we suggest that facilitating cell clearance by luminal entry may constitute an important characteristic of future treatments that shall resolve airway inflammatory conditions. Interestingly, we discovered that steroid treatment permitted luminal entry of eosinophils while it inhibited selectively the CC-chemokine RANTES. These data suggest that inhibiting RANTES-dependent cell recruitment and promoting clearance of inflammatory cells into the airway lumen are significant components of the pharmacology of therapeutic steroids.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Astma är en folksjukdom. Uppemot 10 % av befolkningen i Sverige har mer eller mindre uttalade symptom. Barn är ofta värst drabbade. Vid astma drar luftrören ihop sig så att det blir svårt att andas. Detta tillstånd kan vara livshotande. Tack vare lång tids intensiv luftvägsforskning är en del mekanismer i sjukdomsförloppet kartlagda. Till exempel karakteriseras bronkslemhinnan av en kronisk inflammation. Den inflammatoriska processen är mycket komplex men en del centrala komponenter har identifierats. Framförallt anses vita blodkroppar, som normalt är viktiga celler i vårt immunförsvar, bidra till den vävnadsskada som ses vid astma. Eosinofilen är den vita blodkropp som i över hundra år blivit särskilt associerad med astma. I sin cellkropp har den många skadliga proteiner, som utsöndras i vävnaden vid astma. Hos astmatiker ses ett ökat antal eosinofiler i blodet och i luftvägarna. Den här avhandlingen har fokuserat på trafiken av eosinofiler till och från luftvägsslemhinnan under såväl utveckling som upplösning av allergisk luftvägsinflammation. För att studera detta experimentellt användes djurmodeller och humana näspolyper som i flera avseenden kan efterlikna enskilda inflammationsprocesser vilka förekommer vid astma.



Eosinofilerna anses försvinna från vävnader genom en programmerad celldöd kallad apoptos. De apoptotiska eosinofilerna tas sedan om hand av städarceller. Den bakomliggande forskningen kring eosinofilapoptos har dock utförts i provröret, sk in vitro-studier. Det har faktiskt saknats relevanta observationer in vivo ( ?i livet?). Det är viktigt att påpeka att försöksresultat med eosinofiler in vitro absolut inte med automatik kan anses gälla för de eosinofiler som är involverade i sjukdomsprocessen in vivo. Intressant nog såg jag och mina medarbetare att eosinofilerna faktiskt försvann från vävanden utan att apoptos förekom. Inga apoptotiska eosinofiler fanns alltså i den levande vävnaden! I stället upptäckte vi att eosinofilerna effektivt eliminerades från slemhinnevävnaden genom utvandring till luftvägslumen. Celler som kommer in i lumen blandas med slem och proteiner och hostas upp eller transporteras med flimmerhår och sväljs. Vi kunde fastställa att massiv utvandring av eosinofiler till luftvägslumen ? en miljon celler eliminerades över varje cm2 slemhinneyta under tre minuter - inte skadade slemhinnan. Detta var viktigt eftersom utvandring av eosinofiler tidigare hade ansetts vara en del i sjukdomen och hade därför förbisetts som gynnsam eliminationsväg. Om celltrafiken in i lumen mobiliseras till exempel med hjälp av nya läkemedel skulle det kunna ge effektiv upplösning av inflammationen vid astma.



Den viktigaste terapin hos astmatiker är antiinflammatoriska steroider. Ett av syftena med denna doktorsavhandling är att undersöka hur en eosinofilrik inflammation i luftvägarna upplöses vid behandling med luftvägssteroider. Först motbevisade vi uppfattningen att steroider verkar genom att inducera eosinofilapoptos. Intressant nog tillät emellertid steroidbehandlingen utvandring av eosinofiler till luftvägslumen under både utveckling och upplösning av astma. Vi upptäckte dessutom att terapeutisk steroidbehandling selektivt hämmade RANTES, ett protein som lockar eosinofiler till luftvägarna. Sålunda skulle framtida läkemedel som specifikt hämmar RANTES också kunna vara särskilt intressanta för behandling av astma.



Induktion av eosinofilapoptos har allmänt föreslagits vara en önskvärd egenskap hos framtida astmaläkemedel. Hos allergiska möss som vi behandlade med apoptosinducerande antikroppar kunde vi för första gången framkalla eosinofilapoptos i luftvägsvävnaden. Dessa apoptotiska eosinofiler togs dessvärre inte om hand av andra celler utan låg kvar i vävnaden och gick i nekros. Detta innebar att deras skadliga proteiner kom ut i vävnaden och förvärrade kraftigt den allergiska inflammationen. Därmed hade våra in vivo upptäckter förvandlat en tänkt behandlingsprincip till en mekanism som kan orsaka astmaanfall.

• author: Uller, Lena
• supervisor: Jonas Erjefält
• opponent: professor Holgate, Stephen T, AIR Division, Southampton General Hospital.
• organization: Lung Biology (research group); Respiratory Immunopharmacology (research group)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Andningsorganen, Respiratory system, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), Animal models, Glucocorticoids, Eosinophils, Apoptosis, Asthma, Allergy
• in: Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2
• defense location: Fernströmssalen, BMC, Lund.
• defense date: 2005-04-08 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-09-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: L Uller, C.G Persson, L Källström and J.S Erjefält. 2001. Lung tissue eosinophils may be cleared through luminal entry rather than apoptosis: effects of steroid treatment. Am J Respir Crit Care Med., pp 1948-56.; L Uller, C.M Lloyd, CGA Persson and JS Erjefält. . Therapeutic steroids selectively inhibit RANTES and promote transepithelial eosinophil clearance. (submitted); L Uller, M Andersson, L Greiff, C.G Persson and J.S Erjefält. 2004. Occurrence of apoptosis, secondary necrosis and cytolysis in eosinophilic nasal polyps. Am J Respri Crit Care Med, pp 742-747.; L Uller, K Rydell-Törmanen, CGA Persson and JS Erjefält. . Anti-Fas mAb-induced apoptosis and cytolysis of airway tissue eosinophils aggravates rather than resolves established inflammation. (submitted); J. S. Erjefält, M. Malm-Erjefält and C.G. Persson. 2004. Rapid and efficent clearance of airway tissue granulocytes through transepithelial migration Thorax, vol 59 pp 136-143. British medical association
• id: 2b0d9c38-4290-45ef-9785-75846451b75e (old id 544487)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:53:00
• date last changed: 2019-05-21 14:10:03