Airway epithelial shedding: Morphological and functional aspects in vivo.

Abstract

Epithelial damage may contribute to the pathology in airway diseases such as asthma and rhinitis. However, the distribution of epithelial shedding in inflammatory airway diseases and, particularly, the ensuing repair processes are largely unknown. In the present studies we have developed novel in vivo techniques to explore epithelial repair mechanisms and associated tissue responses occuring in guinea-pig trachea after mechanical-induced epithelial shedding or an allergic inflammation.



The results emerging from the studies of mechanichal shedding and repair include: morphological characterisation of prompt dedifferentiation of both ciliated and secretory epithelial cells into repair cells that with a high speed migrate to cover the denuded basement membrane. Another major finding was that epithelial shedding, by itself, evoked several disease-like tissue responses such as plasma exudation, hypersecretion, and infiltration and activation of neutrophils and eosinophils. Repeated treatment with a potent topical glucocorticoid (budesonide) did not affect the speedy epithelial restitution and its associated tissue responses.



A novel technique was developed to selectively remove columnar epithelial cells to demonstrate that also airway basal cells have a capacity to promptly assume a barrier structure. In vivo allergen challenge, selectively of the large airways, produced crater-like damage sites in the epithelium. Dedifferentiated repair cells were present at the floor and the borders of these damage sites. Activated granulocytes and extravasated plasma proteins abounded in the airways, particularly in association with the damage sites.



In conclusion this thesis demonstrates that epithelial repair after mechanical or allergen-induced epithelial shedding is a speedy an efficient process with the participation of basal, secretory, and ciliated cells in a milieu of plasma exudates and leukocytes. This thesis further shows that in allergic inflammation patchy epithelial damage areas are dynamic sites where damage and repair processes occur simultaneously and where plasma exudates and activated leukocytes accumulate. If transferable to human airways the present observations on sequelae to epithelial shedding suggest that epithelial restitution processes quickly restore a barrier structure but causes also effects that significantly contribute to the pathology and pathophysiology observed in inflammatory airway diseases.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Inflammatoriska luftvägssjukdomar såsom astma och rinit är några av de folksjukdomar som trots den moderna läkarvetenskapen uppvisat en ökad prevalens de senaste decennierna. En allergisk reaktion och efterföljande inflammation tros ligga bakom många av de förändringar som karakteriserar astmatiska luftvägar tex infiltration av vita blodkroppar och extravasering av plasma. Vidare, har skador på luftvägsepitelet (den "matta" av celler som bekläder luftrören) beskrivits som ett karakteristiskt drag vid astma. Denna slutsats har dragits på grundval av resultat från histologiska studier av vävnadsprover samt fynd av ökat antal "lösa" epitelceller i prover erhållna med bronkoalveolär sköljning. Det finns emellertid även en rad studier där man funnit att astmatikers luftvägsepitel inte är onormalt förstört vilket gör att man ännu inte vet hur stor omfattning epitelskadorna har eller om de påverkar sjukdomsbilden vid astma. Heterogenitet bland patienter, tekniska begränsningar med biopsi tekniker etc. tycks bidraga till nuvarande oklarhet om graden av epitelskador vid astma. En annan viktig orsak är bristen på kunskap om hur snabbt och på vilket sätt epitelet regenereras efter en skada.



Denna avhandling berör de läkningsprocesser som bidrar till luftvägsepitelets återuppbyggnad efter mekanisk och allergi-inducerad epitel skada. En annan huvudlinje i arbetet har varit att studera om epitelskador i sig själva bidrar till sjukdomsbilden vid astma genom att inducera vävnads responser som exempelvis plasma exudation och ansamling av granulocyter.



För att studera epitelläkningen så utvecklades tekniker för att på mekanisk väg helt eller delvist avlägsna epitelet från små, avgränsade ytor i trakea hos marsvin (delarbete I, VIII). Dessa in vivo tekniker skadar ej underliggande vävnad (basal membranet) och genererar "skarpa" kanter mellan intakt och skadade områden, vilket är en förutsättning för relevanta studier av de första stegen i läkningsprocessen. Epitelläkningen studerades vid olika tidpunkter efter skadan med en rad histologiska tekniker. Resultaten som erhållits visar att epitelläkningen startar omedelbart genom att cilierade och sekretoriska epitelceller vid skadekanten omvandlas till odifferentierade reperationsceller som vandrar ut över skadeområdet. När hela skadan är täckt av ett nytt "primitivt" epitel sker en intensiv celldelning och ett nytt normalt, cilierat epitel utdifferentieras. Under denna fas reinnerveras även epitelet med de sensoriska nervfibrer som normalt förekommer i luftvägsepitelet. Avhandlingens resultat visar även att lokal steroidbehandling inte hämmar epitelets förmåga att snabbt och effektivt regenereras efter skada (delarbete IV). Denna observation stämmer överrens med de kliniskt gynsamma effekterna på epitelstrukturen som observerats efter lokal steroidbehandling. I delarbete VIII undersöktes basalcellernas förmåga att fungera som reperationsceller efter det att de kolumnära epitelcellerna, som normalt ansvarar för en barriärfunktion, har tagits bort. Resultaten visar att kvarvarande basalceller har förmåga att inom några minuter breda ut sig och skapa en ny barriär struktur. Tidigare studier har visat att hos astmatiker är det främst de kolumnära epitelcellerlla som stöts bort. En tolkning av resultaten från delarbete VIII är att denna typ av epitelskada inte nödvändigtvis behöver leda till en försämrad barriärfunktion med ökad permeabilitet av luftvägsmukosan.



Förändringar i epitelet i samband med en allergisk inflammation studerades i delarbete VI. Studien visar att luftvägar som utsatts för allergen exponering uppvisar väl avgränsade epitelskador. Mellan skadeområdena fanns stora ytor epitel med oskadat, normalt epitel. Oavsett tidpunkten efter allergen provokationen så uppvisade alla större skadeområden tydliga tecken på epitelregeneration (tex. förekomst av odifferentierade reparationsceller och celldelning). Resultaten indikerar att epitelskador i samband med en allergisk reaktion är dynamiska områden där skade- och läk- processer sker samtidigt. Studien visar också att vanliga tekniker för snittning av vävnadspreparat kan skada vävnaden vilket leder till en grov missuppfattning om den verkliga förekomsten av epitelskador. Den omgivande vävnadens reaktioner på en epitelskada studerades i delarbetena I-III. Fynden från dessa studier visar att avgränsade skador på epitelet inducerar en rad sjukdomsliknande effekter som tex hypersekretion, plasma exudation, samt infiltration och aktivering av granulocyter. Även celldelning i vävnaden under epitelskadorna noterades. I delarbete VII visades att formationen av en plasma-deriverad gel samt infiltration och aktivering av granulocyter var associerade till områden med epitelskador. De ovan beskrivna vävnadsresponser har alla observerats i samband med astma där den allmänna uppfattningen är att de är primärt orsakade av den allergiska inflammationen. Resultaten från denna avhandling pekar ut epitelskador som en ytterliggare tänkbar orsak till många av av de patologiska fynd som observerats vid astma.



Sammanfattningsvis visar resultaten från avhandlingen att skador på luftvägsepitelet utgör dynamiska områden där omedelbara och effektiva läkningsprocesser bidrar till en snabb och effektiv läkning. Vidare visar avhandlingen att en epitelskada i sig kan generera en rad olika effekter vilka mycket väl kan ha en viktig roll för sjukdomsbilden vid inflammatoriska luftvägssjukdomar som astma och rinit. Epitelskada och efterföljande regenerationsprocesser framstår alltmer som central i de inflammatoriska luftvägssjukdomarnas patogenes. Epitelet är också den vävnad som utsätts för allergen, virus, yrkesfaktorer, kall-torr luft, avgaser och andra miljöfaktorer. Det tycks bli allt viktigare att finna behandlingsmetoder som skyddar epitelet i samband med luftvägssjukdomar som astma och rinit.

• author: Erjefält, Jonas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: PhD Lundgren, Rune, Lung-Allergikliniken, Norrländska Universitetssjukhuset, Umeå, Sweden
• organization: Airway Inflammation and Immunology (research group)
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: eosinophils, neutrophils, plasma exudation, barrier restitution, basal cells, ciliated cells, secretory cells, Epithelial repair, epithelial shedding, fibrinogen, fibronectin, Respiratory system, Andningsorganen
• pages: 85 pages
• defense location: Föreläsningssal 1, Centralblocket, LAS, Kl 13:15
• defense date: 1996-03-01 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MAH --1026-- SE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a2677da0-5241-4f4a-9bcc-df6c69681aeb (old id 28203)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:00:09
• date last changed: 2018-11-21 20:56:09