Plugging (offentliggørelse) for at forhindre tilstopning af slim

Man har længe vidst, at der findes slim i luftvejene, men det er først for relativt nylig, at man i vid udstrækning har erkendt, at mucushypersekretion spiller en vigtig rolle i patogenesen for kroniske obstruktive lungesygdomme, herunder astma, kronisk obstruktiv lungesygdom og cystisk fibrose. Slim i luftvejene er en kompleks blanding af væsker og proteiner. Vigtige komponenter er geldannende muciner, som er glycoproteiner med høj molekylvægt, hvis usædvanlige viskoelastiske egenskaber gør det muligt for gelen at interagere med epitelcellerne og dermed fremme udskillelsen af aflejrede fremmedlegemer. Luftvejssmucinerne er gennemgået i detaljer andetsteds 1. På grund af dens kliniske betydning og den begrænsede effektivitet af de nuværende behandlinger 2, 3 er mucushypersekretion et attraktivt mål for nye behandlinger.

Hvordan har slim udviklet sig som en vigtig kilde til værtsforsvar i luftvejene, og hvilken rolle spiller slimsekretionen i kroniske obstruktive luftvejssygdomme? Da fisk vandrede fra vand til land, erstattede lungerne gællerne i forbindelse med gasudveksling i åndedrætsorganerne. Lungernes placering ved siden af hjertet, dybt inde i brysthulen, gjorde det nødvendigt med et luftrør til at transportere den indåndede luft til lungerne. Den indåndede luft indeholder imidlertid også mikrober og andre irriterende stoffer, som aflejres på luftvejenepitheloverfladen og forårsager betændelse og invaderer værten. Som reaktion herpå har værten udviklet forsvarsmekanismer, som normalt ødelægger og fjerner de invaderende organismer. Blandt de defensive værtsreaktioner på indåndede angribere spiller de sekreterede luftvejssmuciner normalt en vigtig beskyttende rolle. De rekrutterede muciner fanger de indtrængende organismer, som derefter fjernes ved hoste og mucociliær clearance 4. Hos raske personer er mucinerne i luftvejene sparsomme, men tilstrækkelige til effektivt og med minimale symptomer at kunne indfange og fjerne angribere. Ved kroniske inflammatoriske luftvejssygdomme, som f.eks. astma, sker der imidlertid en overdreven mucinproduktion, hvilket fører til symptomer og obstruktion af luftvejene. I de større ledende luftveje fører hypersekretion til hoste og sputumproduktion. I små perifere luftveje kan mucushypersekretion på grund af deres geometri føre til tilstopning af luftvejslumenet. Ved astma med dødelig udgang er slimhindehypersekretion iøjnefaldende og menes at spille en væsentlig rolle som dødsårsag 5-8.

Flere forskere har understreget betydningen af obstruktion af de små luftveje (tilstopning af slimhinder). Det skal bemærkes, at på grund af lokaliseringen af tilstoppede lumener i små luftveje har den kliniske genkendelse af mucous plugs været problematisk, og perifer luftvejsobstruktion er forblevet en relativt tavs zone i lungerne, der ikke umiddelbart kan identificeres fysiologisk, ved radiologisk undersøgelse eller ved bronkoskopisk undersøgelse. Diagnosen af tilstopning af luftvejene er fortsat en udfordring for undersøgerne!

Den seneste tid er mucushypersekretion blevet anerkendt som et stort klinisk problem i forbindelse med kroniske luftvejssygdomme, og undersøgelserne af muciner er blevet intensiveret. Først blev mucingener klonet, hvilket gav redskaber til yderligere mucinforskning. Da invaderende organismer, allergener, cigaretrøg og andre irriterende partikler aflejres på epiteloverfladen, søgte forskerne efter signalmekanismer, der gjorde det muligt for værten at opfange de invaderende organismer

Når en invaderende organisme aflejres på overfladen af luftvejsepitelet, har det vist sig, at der sker en kaskade af begivenheder, der kulminerer i aktivering af en receptor på epiteloverfladen, den epidermale vækstfaktorreceptor (EGFR), og som resulterer i mucinkreatinproduktion 9. Efterfølgende har man fundet, at en lang række stimuli kan forårsage mucinproduktion og andre defensive reaktioner via aktivering af EGFR 10. I den oprindelige undersøgelse, hvori det blev rapporteret, at aktivering af EGFR ved hjælp af en EGFR-ligand resulterede i mucinproduktion, blev det også rapporteret, at ovalbumin-induceret mucinproduktion hos rotter blev hæmmet af en selektiv EGFR-tyrosinkinasehæmmer, hvilket implicerer en EGFR-kaskade i allergen-induceret mucinproduktion 9. Senere undersøgelser har beskrevet en række signaler, der er involveret i en kaskade på epiteloverfladen, og som inducerer EGFR-aktivering og forskellige output (f.eks. interleukin-8 og antibakterielle peptider) ved hjælp af flere forskellige stimuli (f.eks. Pseudomonas aeruginosa, virus, lipopolysaccharid, cigaretrøg, allergener, neutrofilt elastase og oxidanter) 10. Signalvejen omfatter aktivering af en overfladereceptor (f.eks. Toll-like receptor (TLR)), aktivering af proteinkinase C, generering af reaktive oxygenarter, aktivering af en overfladematrixmetalloprotease (MMP), ofte tumornekrosefaktor-α-konverterende enzym (TACE), som spalter membranbundne EGFR-ligander, som binder sig til og aktiverer EGFR, hvilket resulterer i produktion af en række proteiner og glykoproteiner 1.

I 2009 rapporterede Zhu et al. 11, at hoved- og mindre grupper af rhinovirus (RV) inducerede mucinproduktion, som involverer en ny TLR3-EGFR-afhængig vej. Deres undersøgelser implicerede TLR3 i signalkaskaden, og disse forfattere foreslog, at TLR’s antivirale forsvarsmaskineri og phosphatidylinositol-3′-kinase-proliferation/reparation af EGFR-vejen kunne spille en vigtig rolle i virusinducerede luftvejssygdomsekspirationer. Denne artikel angav ikke en mekanisme for de særlige (overdrevne) virkninger ved astma. I en anden interessant undersøgelse af Bartlett et al. 12 blev ovalbumin-induceret allergisk luftvejssygdom forstærket af infektion med RV-1B, men mekanismen for forstærkning blev ikke beskrevet.

I dette nummer af European Respiratory Journal undersøgte Hewson et al. 13 RV-induktion af mucin 5-subtyperne A og C (MUC5AC), oprindeligt hos astmatiske frivillige, og rapporterede, at eksperimentel infektion med RV-16 førte til MUC5AC-induktion i forhold til virusbelastningen. Derefter inficerede de en lungekræftcellelinje (NCI-H292) med RV-16 og viste, at RV-infektion forårsagede en betydelig induktion af mucin. MUC5AC mRNA blev forøget dosisafhængigt mellem 8 og 48 timer efter infektion (peak 24 timer). RV-induceret mucinekspression blev hæmmet af en selektiv EGFR-inhibitor og undertrykt af en inhibitor af mitogen-aktiveret proteinkinase kinase (MEK)-aktivering. MEK-hæmmeren blokerede mucinresponset 3-24 timer efter infektion. De rapporterede, at RV-infektion inducerede MEK-fosforylering efter 3-24 timer (fig. 4c), og en inhibitor af Sp1-binding resulterede i en hæmning af mucinudtryk (fig. 4d). En inhibitor af inhibitor of inhibitor of nuclear factor-κB kinase subunit β (fig. 5b) inhiberede mucin-ekspression.

Dernæst undersøgte de, om RV-infektion inducerede frigivelse af transformerende vækstfaktor-α (TGF-α), og om dette var nuclear factor-κB (NF-κB)-afhængigt. RV-16 inducerede TGF-α-frigivelse og blev signifikant blokeret af NF-κB-hæmning (fig. 6b). Forfatterne konkluderede, at signalvejen for RV-induktion af NF-κB aktiverede MMP’er og en efterfølgende EGFR-MEK/ekstracellulær signalreguleret kinasevej, der fører til MUC5AC-syntese og -sekretion. Det mest nye og stimulerende aspekt af dette arbejde er den foreslåede beskrivelse af en virusinduceret signalvej, der fører til mucinproduktion.

I tidligere undersøgelser er det generelt blevet rapporteret, at flere stimuli har forårsaget aktivering af en sekvens af overfladesignalmolekyler og resulteret i EGFR-aktivering, herunder signalering fra den receptor, der er relevant for stimulus (ofte en TLR), efterfulgt af frigivelse af reaktive oxygenarter, aktivering af en MMP, ofte TACE, hvilket resulterer i spaltning af EGFR-proligand, som derefter binder sig til og aktiverer EGFR. Denne sekvens fører via en række nedstrømsmolekyler (f.eks. Ras, Raf og mitogen-aktiveret proteinkinase) og via en promotor til stimulering af produktionen af nyt protein (f.eks. muciner). I den foreliggende artikel af Hewson et al. 13 foreslår forfatterne, at stimulus (RV) kommer ind i cellen og direkte aktiverer NF-κB, som derefter stimulerer en MMP og dermed inducerer en fortsat kaskade, herunder proligandspaltning, frigivelse af opløseligt EGFR-ligand og aktivering af EGFR. Dette er et nyt koncept, og det vil ændre rækkefølgen og timingen af signalkaskaden (fig. 8 af 13). For at validere denne vej er spørgsmålet om timing af afgørende betydning. Hvornår sker f.eks. EGFR-fosforylering? I figur 3b aktiverer RV-16 EGFR ved 8-12 h. I tidligere publikationer har investigatorer fundet EGFR-reaktioner inden for få minutter, der er tilbage i ∼0,5-1 h 10. I Hewson et al. 13 er EGFR-fosforylering ikke vist før 4 h. Er der tidligere EGFR-fosforylering? Mærkeligt nok er mucin mRNA rapporteret ved 8 h, måske før EGFR-fosforylering rapporteres. I fremtidige undersøgelser er spørgsmålet om timing og analyse af signalering baseret på tid således afgørende for at fastslå, hvordan denne signalvej fungerer. Endvidere kræver mekanismerne for RV-genkendelse på epitheloverfladen, RV’s indtrængen i epithelcellen og dens relation til EGFR-aktivering yderligere undersøgelser.

Celler overlever ved at modulere deres aktiviteter over tid. I denne henseende har forskerne kæmpet for at udvikle systembiologi til forudsigelse af komplekse begivenheder. Systembiologiske analyser viser imidlertid, at det er meget vanskeligt at indbygge tid i systemer! Her foreslår vi, at en omhyggelig dissektion af signalveje over tid fortsat kan være nyttig til at opdage biologiske mekanismer.

I øjeblikket er man klar over den kliniske betydning af mucushypersekretion i luftvejssygdomme, og forskere har øget undersøgelserne af de grundlæggende mekanismer, herunder mucinproduktion og de mekanismer, der ligger til grund for mucushypersekretion. Den kliniske betydning af perifer slimhindetilstopning og vanskelighederne ved at diagnosticere disse læsioner kræver nye tilgange til både diagnose og behandling. Det er nødvendigt at fastlægge de mekanismer, der får virusinfektioner til at udløse astmaeksacerbationer, og hvordan disse eksacerbationer kan forebygges eller behandles effektivt. Da ikke-små lungekræftceller, som blev anvendt i Hewson et al.13’s undersøgelse, kan udvise væsentligt anderledes signalmekanismer end hos astmatikere, kan anvendelsen af primærkultur af epithelceller fra astmatikere give ny indsigt. Der er tale om presserende spørgsmål, som kræver yderligere undersøgelser. De nuværende virkninger af forringet helbred og de alvorlige økonomiske konsekvenser af virusinfektioner hos astmatikere kræver i øjeblikket en høj prioritet for fremtidig forskning i afklaring af de mekanismer, der er involveret i slimhindehypersekretion.

Her er en sidste kommentar til lungeforskere. Lungespecialet blev udviklet sent i sin udvikling. Men på grund af lungernes og luftvejene betydning for inflammatoriske, immunologiske og maligne sygdomme, deres placering ved siden af atmosfæren og deres lette tilgængelighed forudses det, at væksten inden for lungeforskning fortsat vil accelerere! Vi er klar til det!

• ©ERS 2010