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.

Myoblast Sheet Transplantation for Treatment of Heart Failure after Myocardial Infarction

Heart failure is a common, severe, and progressive condition associated with high mortality and morbidity. Because of population-aging in the coming decades, heart failure is estimated to reach epidemic proportions. Current medical and surgical treatments have reduced mortality, but the prognosis for patients has remained poor. Transplantation of skeletal myoblasts has raised hope of regenerating the failing heart and compensating for lost cardiac contractile tissue. In the present work, we studied epicardial transplantation of tissue-engineered myoblast sheets for treatment of heart failure. We employed a rat model of myocardial infarction-induced acute and chronic heart failure by left anterior descending coronary artery ligation. We then transplanted myoblast sheets genetically modified to resist cell death after transplantation by expressing antiapoptotic gene bcl2. In addition, we evaluated the regenerative capacity of myoblast sheets expressing the cardioprotective cytokine hepatocyte growth factor in a rat chronic heart failure model. Furthermore, we utilized in vitro cardiomyocyte and endothelial cell culture models as well as microarray gene expression analysis to elucidate molecular mechanisms mediating the therapeutic effects of myoblast sheet transplantation. Our results demonstrate that Bcl2-expression prolonged myoblast sheet survival in rat hearts after transplantation and induced secretion of cardioprotective, proangiogenic cytokines. After acute myocardial infarction, these sheets attenuated left ventricular dysfunction and myocardial damage, and they induced therapeutic angiogenesis. In the chronic heart failure model, inhibition of graft apoptosis by Bcl-2 improved cardiac function, supported survival of cardiomyocytes in the infarcted area, and induced angiogenesis in a vascular endothelial growth factor receptor 1- and 2-dependent mechanism. Hepatocyte growth factor-secreting myoblast sheets further enhanced the angiogenic efficacy of myoblast sheet therapy. Moreover, myoblast-secreted paracrine factors protected cardiomyocytes against oxidative stress in an epidermal growth factor receptor- and c-Met dependent manner. This protection was associated with induction of antioxidative genes and activation of the unfolded protein response. Our results provide evidence that inhibiting myoblast sheet apoptosis can enhance the sheets efficacy for treating heart failure after acute and chronic myocardial infarction. Furthermore, we show that myoblast sheets can serve as vehicles for delivery of growth factors, and induce therapeutic angiogenesis in the chronically ischemic heart. Finally, myoblasts induce, in a paracine manner, a cardiomyocyte-protective response against oxidative stress. Our study elucidates novel mechanisms of myoblast transplantation therapy, and suggests effective means to improve this therapy for the benefit of the heart failure patient.

Sydämen hypertrofian ja kroonisen vajaatoiminnan farmakologinen hoito

Sydämen krooninen vajaatoiminta on merkittävä maailmanlaajuinen ongelma. Se on erilaisten sydän- ja verisuonisairauksien aiheuttama monimuotoinen oireyhtymä. Sydämen vasemman kammion hypertrofia eli sydämen seinämien paksuuntuminen on yksi keskeinen tekijä, joka voi olla sydämen vajaatoiminnan taustalla. Kohonnut verenpaine on yleisin syy, joka johtaa sydänlihaksen paksuuntumiseen. Tämä johtaa sydämen pumppaustoiminnan häiriintymiseen, erilaisten neurohormonaalisten mekanismien aktivaatioon ja edelleen sydämen vajaatoimintaan. Sydämen vajaatoiminnan neurohormonaalisista mekanismeista tärkeimmät ovat reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmän ja sympaattisen hermoston aktivaatio, sydämen rakenteiden uudelleenmuovautuminen, sydänlihassolujen apoptoosi ja systeeminen tulehdustila. Sydämen hypertrofiaa ja sen syntymistä pyritään estämään kohonneen verenpaineen lääkehoidolla. Reniini-angiotensiini-aldosteronijärjestelmällä on keskeinen merkitys sydämen vajaatoiminnassa. Sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavista lääkeaineista angiotensiinikonvertasin estäjät (ACEestäjät) ovat säilyttäneet johtoasemansa jo vuosikymmenten ajan. Angiotensiinireseptoreiden salpaajien (AT1-salpaajien) odotettiin syrjäyttävän ACE-estäjät sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta toistaiseksi niitä pidetään vain vaihtoehtoisina lääkkeinä. Sympaattisen hermoston aktivaatiota vähentävät β-salpaajat ovat vakiinnuttaneet asemansa toiseksi tärkeimpänä lääkeryhmänä. Diureetit ovat paljon käytetty lääkeaineryhmä sydämen vajaatoiminnan hoidossa, mutta niistä ainoastaan aldosteroniantagonisteilla on tutkitusti ennustetta parantavaa vaikutusta. Kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käytetään edelleen myös digoksiinia. Tulevaisuudessa sydämen vajaatoiminnan ennusteeseen vaikuttavia lääkeaineita voivat olla reniinin estäjät, neutraaliendopeptidaasin estäjät, vasopressiinin antagonistit tai inflammatroisiin sytokiineihin vaikuttavat molekyylit. Erikoistyön kokeellisessa osiossa tarkoituksena oli tutkia sydämen hypertrofian kehittymistä vatsa-aortta kuristetuilla rotilla ja kalsiumherkistäjä levosimendaanin sekä AT1-salpaaja valsartaanin vaikutuksia hypertrofian kehittymiseen. Kokeellisessa osiossa arvioitiin myös sydämen hypertrofian ja vajaatoiminnan jyrsijämallina käytetyn vatsa-aortan kuristuksen (koarktaation) toimivuutta ja vaikutuksia ultraäänen avulla määritettyihin kardiovaskulaarisiin parametreihin. Vatsa-aortta kuristettiin munuaisvaltimoiden yläpuolelta. Kuristus saa aikaan verenpaineen kohoamisen ja sydämen työtaakan lisääntymisen. Pitkittyessään tila johtaa sydänlihaksen hypertrofiaan ja vajaatoimintaan. 64 eläintä jaettiin ryhmiin, siten että jokaiseen ryhmään tuli kahdeksan eläintä. Ryhmistä kolmelle annettiin lääkeaineena levosimendaania kolmella eri päiväannoksella (0,01 mg/kg; 0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg) ja kolmelle valsartaania kolmella eri päiväannoksella (0,10 mg/kg; 1,00 mg/kg; 10,00 mg/kg) juomaveden mukana. Lääkitys aloitettiin leikkauksen jälkeen ja jatkettiin kahdeksan viikon ajan. Kardiovaskulaariset parametrit, kuten isovolumetrinen relaksaatioaika (IVRT), vasemman kammion läpimitta systolessa ja diastolessa sekä seinämäpaksuudet, ejektiofraktio (EF), supistuvuusosuus (FS), minuuttitilavuus (CO) ja iskutilavuus (SV) määritettiin kahdeksan viikon kuluttua leikkauksesta ultraäänitutkimuksen avulla. Lisäksi määritettiin eläinten sydämen paino suhteessa ruumiin painoon. Tuloksia verrattiin ilman lääkehoitoa olleeseen koarktaatioryhmään. Eläinmallin toimivuutta arvioitiin vertaamalla koarktaatioryhmän tuloksia sham-operoidun ryhmän tuloksiin. Levosimendaanilla havaittiin työssä sydämen systolista toimintaa parantava vaikutus. Tämä näkyi tendenssinä parantaa ejektiofraktioita ja vasemman kammion supistuvuusosuuksia. Sydämen diastoliseen toimintaan ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Diastolista toimintaa arvioitiin isovolumetrisen relaksaatioajan muutoksilla. Sydämen hypertrofian kehittymiseen ei kummallakaan lääkeaineella ollut merkittävää vaikutusta. Eläinmallin todettiin mallintavan hyvin sydämen hypetrofiaa ihmisellä, mutta ei niinkään sydämen vajaatoimintaa.