The role of inflammation and matrix proteins in airway remodelling

Asthma is a chronic inflammatory disorder of the airways. Remodelling in asthma is defined as the structural changes seen in the airways of asthmatics in comparison to healthy controls. Progressive loss of lung function also seen in asthma might be caused by remodelling. The research aims of this thesis were to investigate inflammation and remodelling in the airways of different types of asthmatics and smokers. The association between inflammation and remodelling was also examined in a mouse model of allergic airway inflammation. Healthy smokers showed increased numbers of macrophages in the BAL with no changes in the inflammatory cells in biopsies. Macrophages seemed to be quite quiescent, since mRNA expression for a wide variety of inflammatory mediators, especially chemokines CCL3, CCL4, CCL5 and CCL20, secreted by macrophages was significantly lower than in healthy non-smokers. Attenuated macrophage activity in the airway lumen may render smokers more susceptible to airway infections and have an impact on the development of other airway pathology. Patients with diisocyanate-induced asthma (DIA) on inhaled corticosteroids (ICS) who still had non-specific bronchial hyperreactivity (NSBHR) at the end of the follow-up showed increased expression of TNF-α, IL-6 and IL-15 mRNA in BAL cells compared to those without NSBHR. In addition to being markers for poor prognosis and possible slight glucocorticoid resistance, these cytokines might aid in guiding the treatment of DIA. The increase in the thickness of tenascin-C layer in the bronchial basement membrane (BM) was much less than usually seen in other types of asthma, which might not make tenascin-C a good marker for DIA. OVA-induced tenascin-C expression in the lung was attenuated in STAT4-/- mice with impaired Th1-type immunity compared to WT mice. Interestingly, STAT6-/- mice with impaired Th2-type immunity showed tenascin-C expression levels similar to those of WT mice. The clearest difference between these two knockout strains in response to OVA was that STAT4-/- mice exhibited no upregulation of IFN-γ and TNF-α mRNA expression. Thus, tenascin-C expression was unexpectedly more related to Th1 type reactions. In vitro studies confirmed the results. Human fibroblasts stimulated by TNF-α and IFN-γ showed increased expression of tenascin-C. Patients with newly diagnosed asthma showed increased expression of laminin α2 in the bronchial BM in comparison to patients with asthma symptoms only and healthy controls. Both patients with asthma and those with only asthma symptoms showed increased expression of the laminin β2 chain in comparison to controls. Thus, laminin α2 expression differentiated patients with clinical asthma from patients with symptoms only. Furthermore, the expression of laminin α2 and β2 was associated with NSBHR, linking very specific remodelling events to clinical findings.

Astma on hengitysteiden krooninen tulehdussairaus, joka voi johtaa etenevään keuhkojen toiminnan huononemiseen. Taustalla on ajateltu ainakin osittain olevan keuhkoissa nähtävät astmaan liittyvät rakenteelliset muutokset eli uudelleenmuokkaus. Tämän väitöskirjan muodostavissa osatutkimuksissa tutkittiin hengitysteiden tulehdusta ja uudelleenmuokkausta erityyppisillä astmaatikoilla ja tupakoijilla. Lisäksi allergisen hengitystietulehduksen ja uudelleenmuokkauksen yhteyttä selvitettiin eläinkokeissa. Terveillä tupakoijilla oli huomattavasti enemmän tulehdussoluihin kuuluvia makrofageja keuhkohuuhtelu (BAL) näytteissä kuin tupakoimattomilla. Myös makrofagien erittämien kemokiinien lähetti-RNA:n ilmentyminen BAL soluissa oli selkeästi vähäisempää terveillä tupakoijilla verrattuna tupakoimattomiin. Makrofagien vähentynyt aktiivisuus voi altistaa hengitystieinfektioille ja mahdollisesti muillekin hengitystiesairauksille. Työperäistä di-isosyanaatti astmaa (DIA) sairastavia potilaita seurattiin inhaloitavan kortisonihoidon aikana. Seurannan lopussa joillakin potilailla oli edelleen keuhkoputkien lisääntynyttä supistumisherkkyyttä. Näiden potilaiden BAL solut tuottivat enemmän tulehdusvälittäjien TNF-α, IL-6 and IL-15 lähetti-RNA:ta kuin ei-hyperreaktiivisten DIA potilaiden. Sen lisäksi, että tulehdusvälittäjien lisääntynyt esiintyminen on merkkinä huonosta ennusteesta ja ainakin jossain määrin kortisoni resistentistä astmasta, tämä löydös voi auttaa ohjaamaan näiden potilaiden hoitoa. Ovalbumiini (OVA) altistuksen aiheuttama tenaskiini-C esiintyminen keuhkoissa oli vähäisempää T-auttajasolu (Th) 1-vaste vajavaisilla STAT4-/- muuntogeenisillä hiirillä kuin villityypin (WT) hiirillä. OVA altistetuilla STAT6-/- hiirillä, joilla taas on vajavainen Th2-vaste, tenaskiini-C ilmentyi yhtä vahvasti kuin WT hiirillä. Suurin ero näiden kahden muuntogeenisen kannan välillä oli, että STAT4-/- hiirillä OVA altistus ei aiheuttanut TNF-α ja IFN-γ lähetti-RNA:n lisääntynyttä tuottoa. Näin ollen tenaskiini-C ilmentyminen liittyikin yllättäen enemmän Th1-vasteeseen eikä allergiseen astmaan vahvasti liittyvään Th2-vasteeseen. Tulokset varmistettiin soluviljelmissä. Lievää astmaa sairastavilla potilailla oli enemmän reaktiivisuutta laminiini α2-ketjulle keuhkoputkien tyvikalvolla kuin potilailla, joilla oli vain astman oireita tai terveillä kontrolleilla. Näin ollen laminiini α2-ketjun esiintyminen erotti oikeat astmaatikot samalla tavalla oireilevista ei-astmaatikoista. Sekä astmaatikoilla että oireisilla ei-astmaatikoilla oli lisääntynyttä laminiini β2-ketjun esiintymistä tyvikalvolla kontrolleihin verrattuna. Molempien ketjujen esiintyminen oli yhteydessä keuhkoputkien lisääntyneeseen supistumisherkkyyteen, mikä yhdistää nämä hyvin spesifiset keuhkoputkien uudelleenmuokkausilmiöt astmassa kliinisiin löydöksiin.