Noninvasive biomarkers for early smoking related lung disease

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a slowly progressive disease characterized by airway inflammation and largely irreversible airflow limitation. One major risk factor for COPD is cigarette smoking. Since the inflammatory process starts many years prior to the onset of clinical symptoms and still continues after smoking cessation, there is an urgent need to find simple non-invasive biomarkers that can be used in the early diagnosis of COPD and which could help in predicting the disease progression. The first aim of the present study was to evaluate the involvement of different oxidative/nitrosative stress markers, matrix metalloproteinases (MMPs) and their tissue inhibitor-1 (TIMP-1) in smokers and in COPD. Elevated numbers of inducible nitric oxide synthase (iNOS), nitrotyrosine, myeloperoxidase (MPO) and 4-hydroxy-2-nonenal (4-HNE) positive cells and increased levels of 8-isoprostane and lactoferrin were found in sputum of non-symptomatic smokers compared to non-smokers, and especially in subjects with stable mild to moderate COPD, and they correlated with the severity of airway obstruction. This suggests that an increased oxidant burden exists already in the airways of smokers with normal lung function values. However, none of these markers could differentiate healthy smokers from symptomatic smokers with normal lung function values i.e. those individuals who are at risk of developing COPD. In contrast what is known about asthma exhaled nitric oxide (FENO) was lower in smokers than in non-smokers, the reduced FENO value was significantly associated with neutrophilic inflammation and the elevated oxidant burden (positive cells for iNOS, nitrotyrosine and MPO). The levels of sputum MMP-8 and plasma MMP-12 appeared to differentiate subjects who have a risk for COPD development but these finding require further investigations. The levels of all studied MMPs correlated with the numbers of neutrophils, and MMP-8 and MMP-9 with markers of neutrophil activation (MPO, lactoferrin) suggesting that especially neutrophil derived oxidants may stimulate the tissue destructive MMPs already in lungs of smokers who are not yet experiencing any airflow limitation. When investigating the role of neutrophil proteases (neutrophil elastase, MMP-8, MMP-9) during COPD exacerbation and its recovery period, we found that levels of all these proteases were increased in sputum of patients with COPD exacerbation as compared to stable COPD and controls, and decreased during the one-month recovery period, giving evidence for a role of these enzymes in COPD exacerbations. In the last study, the effects of subject`s age and smoking habits were evaluated on the plasma levels of surfactant protein A (SP-A), SP-D, MMP-9 and TIMP-1. Long-term smoking increased the levels of all of these proteins. SP-A most clearly correlated with age, pack years and lung function decline (FEV1/FVC), and based on the receiver operating characteristic curve analysis, SP-A was the best marker for discriminating subjects with COPD from controls. In conclusion, these findings support the hypothesis that especially neutrophil derived oxidants may activate MMPs and induce an active remodeling process already in the lungs of smokers with normal lung function values. The marked increase of sputum levels of neutrophil proteases in smokers, stable COPD and/or during its exacerbations suggest that these enzymes play a role in the development and progression of COPD. Based on the comparison of various biomarkers, SP-A can be proposed to serve as sensitive biomarker in COPD development.

Keuhkoahtaumatauti (COPD) on keskeinen sairastavuutta ja kuolemaa aiheuttava tauti, johon liittyy hengitysteiden tulehdus ja pääosin palautumaton keuhkofunktion huonontuminen. Tärkein riskitekijä on tupakointi. Potilaat hakeutuvat tutkimuksiin yleensä myöhään, jolloin merkittävä osa keuhkojen toiminnasta on menetetty. Tautiin ei ole tehokasta seulontamenetelmää. Spirometria on poikkeava COPD:ssa vasta kun kudostuho on jo huomattava. Tulehdusmuutokset hengitysteissä jatkuvat pitkään tupakoinnin lopettamisen jälkeenkin. Siksi on tärkeä löytää helppoja merkkiaineita, jotka ennustaisivat taudin syntyä ja etenemistä. Indusoitu yskös ja verinäyte ovat ei- kajoavia menetelmiä hengitystie- ja systeemitulehduksen arvioimiselle. Tässä työssä tutkittiin näitä näytteitä käyttäen potentiaalisia COPD:n kehittymiseen liittyviä yhdisteitä, joista tärkeimmät olivat useat oksidatiivisen stressin merkkiaineet, matriksin metalloproteaasit (MMP) ja niiden estäjät (TIMP) sekä surfaktanttiproteiinit (SP) A ja D. Ensimmäisessä tutkimuksessa arvioitiin oksidatiiviseen stressiin liittyviä merkkiaineita, jotka olivat koholla jo oireettomilla tupakoitsijoilla verrattuna tupakoimattomiin, ja erityisesti COPD-potilailla. Proteaasi/antiproteaasi tasapainon vaikutusta mitattiin yskös- ja plasmanäytteistä. Ysköksen MMP-8 ja plasman MMP-12 tasot erottivat oireelliset tupakoitsijat terveistä tupakoitsijoista. Etenkin neutrofiilien aiheuttama oksidatiivinen stressi voi stimuloida MMP:tä myös tupakoitsijoilla, joilla COPD:ta ei ole vielä kehittynyt. Ysköksen neutrofiilien proteinaasien tasot olivat selvästi suurentuneet COPD:n pahenemisen aikana verrattuna vakaan tautiin ja sitä seuraavan yhden kuukauden toipumisaikaan, viitaten näiden entsyymien rooliin COPD:n pahenemisessa ja kehittymisessä. Merkittävä määrä nuoria ihmisiä aloittaa tupakoinnin jopa 13 15 vuotiaina ja on epäselvää esiintyykö nuorilla lyhytaikaisilla tupakanpolttajilla tulehduksellisia muutoksia. Tutkimme, miten ikä ja tupakointi vaikuttavat COPD:n sopivien merkkiaineiden tasoihin verenkierossa. Pitkäaikainen tupakointi nosti kaikkien näiden proteiinien tasoa veressä. Surfaktantti proteiini A:n (SP-A) pitoisuus korreloi selvimmin ikään, tupakoinnin kestoon ja keuhkojen toiminnan laskuun ja pystyi parhaiten erottamaan COPD:n kontrolleista. Oksidatiiviseen stressiin sekä proteaasi/antiproteaasi tasapainon häiriöön liittyvä tulehdus esiintyy jo niiden tupakoitsijoiden keuhkoissa, joilla keuhkojen toiminta-arvot ovat vielä normaalit. Eri merkkiaineita vertailtaessa erikoisesti SP-A vaikutti lupaavimmalta. Jokapäiväisessä elämässä näillä löydöksillä voi olla merkitystä esimerkiksi tupakasta vieroituksen apuvälineenä.