Tulppaaminen (mainostaminen) liman tukkeutumisen estämiseksi

Hengitysteissä on jo pitkään tiedetty olevan limaa, mutta vasta suhteellisen hiljattain on laajalti tunnustettu, että liman ylierittymisellä on merkittävä rooli kroonisten obstruktiivisten keuhkosairauksien, kuten astman, kroonisen obstruktiivisen keuhkosairauden ja kystisen fibroosin patogeneesissä. Hengitysteiden lima on monimutkainen nesteiden ja proteiinien seos. Tärkeitä komponentteja ovat geeliä muodostavat mukiinit, jotka ovat suurimolekyylipainoisia glykoproteiineja, joiden epätavallisen viskoelastisten ominaisuuksien ansiosta geeli on vuorovaikutuksessa epiteelin värekarvojen kanssa, mikä edistää vieraiden aineiden poistumista. Hengitysteiden mukiineja tarkastellaan yksityiskohtaisesti muualla 1. Kliinisen merkityksensä ja nykyisten hoitomuotojen rajallisen tehokkuuden 2, 3 vuoksi liman liikasekreetio on houkutteleva kohde uusille hoitomuodoille.

Miten lima on kehittynyt tärkeäksi isännän puolustuslähteeksi hengitysteissä ja mitkä ovat liman erityksen tehtävät kroonisissa obstruktiivisissa hengitystiesairauksissa? Kun kalat siirtyivät vedestä maalle, keuhkot korvasivat kidukset hengityskaasujen vaihdossa. Keuhkojen sijoittuminen sydämen viereen syvälle rintaonteloon lisäsi vaatimusta ilmaputkesta, jonka avulla hengitetty ilma kuljetetaan keuhkoihin. Sisäänhengitysilma sisältää kuitenkin myös mikrobeja ja muita ärsyttäviä aineita, jotka laskeutuvat hengitysteiden epiteelin pinnalle aiheuttaen tulehduksen ja tunkeutuen isäntään. Vastatoimena isäntä on kehittänyt puolustustoimia, jotka yleensä tuhoavat ja poistavat tunkeutuvat organismit. Hengitettäviin tunkeutujiin kohdistuvista isännän puolustusreaktioista hengitysteiden erityksillä eli limakalvoilla on yleensä merkittävä suojaava rooli. Rekrytoidut mukiinit vangitsevat tunkeutujia, jotka sitten poistuvat yskimällä ja limakalvopuhdistumalla 4. Terveillä henkilöillä hengitysteiden limakalvot ovat harvassa, mutta ne ovat riittäviä, jotta tunkeutujien vangitseminen ja poistaminen onnistuu tehokkaasti ja vähäisin oirein. Kroonisissa tulehduksellisissa hengitystiesairauksissa, kuten astmassa, limakalvotuotanto on kuitenkin liioiteltua, mikä johtaa oireisiin ja hengitysteiden tukkeutumiseen. Suurissa johtavissa hengitysteissä liikaeritys johtaa yskään ja yskösten tuotantoon. Pienissä perifeerisissä hengitysteissä liman liiallinen eritys voi niiden geometrian vuoksi johtaa hengitysteiden luumenin tukkeutumiseen. Kuolemaan johtavassa astmassa liman liikasekreetio on silmiinpistävää, ja sen uskotaan olevan merkittävässä roolissa kuolinsyynä 5-8.

Monet tutkijat ovat korostaneet pienten hengitysteiden tukkeutumisen (liman tukkeutumisen) merkitystä. On huomattava, että koska tukkeutuneet luumenit sijaitsevat pienissä hengitysteissä, limatulppien kliininen tunnistaminen on ollut ongelmallista, ja perifeeristen hengitysteiden tukkeutuminen on säilynyt suhteellisen hiljaisena keuhkojen vyöhykkeenä, jota ei ole helppo tunnistaa fysiologisesti, radiologisella tutkimuksella tai bronkoskooppisella tutkimuksella. Hengitysteiden tulppien diagnosointi on edelleen haaste tutkijoille!

Viime aikoina limakalvojen liikerikastuminen on tunnustettu merkittäväksi kliiniseksi ongelmaksi kroonisissa hengitystiesairauksissa, ja limakalvotutkimukset ovat lisääntyneet. Ensin kloonattiin mukiinigeenejä, mikä tarjosi välineitä mukiinitutkimuksen jatkamiseen. Koska tunkeutuvat organismit, allergeenit, tupakansavu ja muut ärsyttävät hiukkaset laskeutuvat epiteelin pinnalle, tutkijat etsivät signaalimekanismeja, joiden avulla isäntä voi pysäyttää tunkeutujat.

Kun tunkeutuja laskeutuu hengitysteiden epiteelin pinnalle, on osoitettu tapahtumakaskadin tapahtuvan, joka huipentuu epiteelin pinnalla olevan reseptorin, epidermaalisen kasvutekijän (epidermal growth factor receptor (EGFR)), aktivoitumiseen, ja se saa aikaan mukiinintuotantoa 9. Mysiinin tuotantokapasiteetti on kasvanut. Myöhemmin on havaittu, että monenlaiset ärsykkeet aiheuttavat mukiinituotantoa ja muita puolustusvasteita EGFR:n aktivoitumisen kautta 10. Tämän jälkeen EGFR:n on havaittu aiheuttavan myös muita puolustusreaktioita. Alkuperäisessä tutkimuksessa, jossa raportoitiin, että EGFR:n aktivoituminen EGFR-ligandin avulla johti mukiinituotantoon, raportoitiin myös, että ovalbumiinin aiheuttama rottien mukiinituotanto estettiin selektiivisellä EGFR-tyrosiinikinaasin estäjällä, mikä viittaa EGFR-kaskadiin allergeenin aiheuttamassa mukiinituotannossa 9. Tämän tutkimuksen mukaan EGFR:n toiminta on yhteydessä allergeenin aiheuttamaan mukiinituotantoon. Myöhemmissä tutkimuksissa on kuvattu joukko epiteelin pintakaskadiin osallistuvia signaaleja, jotka indusoivat EGFR:n aktivaatiota ja erilaisia tuotoksia (esim. interleukiini-8 ja antibakteeriset peptidit) useiden eri ärsykkeiden (esim. Pseudomonas aeruginosa, virukset, lipopolysakkaridi, tupakansavu, allergeenit, neutrofiilinen elastaasi ja oksidantit) vaikutuksesta 10 . Signaalireittiin kuuluu pintareseptorin (esim. Tollin kaltaisen reseptorin (TLR)) aktivoituminen, proteiinikinaasi C:n aktivoituminen, reaktiivisten happilajien muodostuminen, pintamatriksin metalloproteaasin (MMP) aktivoituminen, usein tuumorinekroositekijä-α:ta konvertoivan entsyymin (TACE) aktivoituminen, joka pilkkoo membraaniin sidottuja EGFR:n ligandeja, jotka sitoutuvat EGFR:ään ja aktivoivat sen, mikä johtaa erilaisten proteiinien ja glykoproteiinien tuotantoon 1. EGFR:n aktivoitumisen jälkeen EGFR:llä on useita eri proteiineja.

Vuonna 2009 Zhu et al. 11 raportoivat, että rinoviruksen (RV) pää- ja sivuryhmät indusoivat mukiinituotantoa, johon liittyy uusi TLR3-EGFR-riippuvainen reitti. Heidän tutkimuksensa sotkivat TLR3:n signaalikaskadiin, ja nämä kirjoittajat ehdottivat, että TLR:n antiviraalisella puolustuskoneistolla ja EGFR-reitin fosfatidylinositoli-3′-kinaasin proliferaatiolla/korjauksella saattaa olla tärkeä rooli viruksen aiheuttamissa hengitystiesairauden pahenemisvaiheissa. Tämä artikkeli ei osoittanut mekanismia astman erityisille (liioitelluille) vaikutuksille. Toisessa Bartlettin ym. 12 tekemässä mielenkiintoisessa tutkimuksessa ovalbumiinin aiheuttama allerginen hengitystiesairaus voimistui RV-1B-infektion seurauksena, mutta voimistumisen mekanismia ei kuvattu.

European Respiratory Journalin tämänkertaisessa numerossa Hewson ym. 13 tutkivat RV:n induktiota muskiini 5:n alatyyppien A ja C (MUC5AC) induktioon alunperin vapaaehtoisilla, jotka sairastivat astmaa, ja he raportoivat, että RV-16:lla suoritettu kokeellinen infektio johti siihen, että RV-virus indusoi muusiineja A ja C (mucin 5 subtypes A and C, MUC5AC) viruksen aiheuttamaan induktioon suhteessa viruskuormitukseen. Sitten he infektoivat keuhkosyöpäsolulinjan (NCI-H292) RV-16:lla ja osoittivat, että RV-infektio aiheutti merkittävää musiinin induktiota. MUC5AC-mRNA lisääntyi annosriippuvaisesti 8-48 tunnin kuluttua infektiosta (huippu 24 tunnin kuluttua). RV:n indusoima mukiini-ekspressio estettiin selektiivisellä EGFR:n estäjällä ja tukahdutettiin mitogeeni-aktivoidun proteiinikinaasikinaasin (MEK) aktivaation estäjällä. MEK:n estäjä esti mukiinivasteen 3-24 tunnin kuluttua infektiosta. He raportoivat, että RV-infektio indusoi MEK:n fosforylaatiota 3-24 h:n kuluttua (kuva 4c), ja Sp1:n sitoutumisen estäjä johti mukiini-ekspression estoon (kuva 4d). Ydintekijä-κB-kinaasin β-alayksikön inhibiittorin inhibiittori (kuva 5b) esti mukiini-ekspressiota.

Sitten he tutkivat, indusoiko RV-infektio transformoivan kasvutekijän-α (TGF-α) vapautumista ja oliko tämä ydintekijä-κB:stä (NF-κB) riippuvaista. RV-16 indusoi TGF-α:n vapautumista, ja NF-κB:n esto esti sen merkittävästi (kuva 6b). Kirjoittajat päättelivät, että RV:n indusoima NF-κB:n signaalireitti aktivoi MMP:t ja sitä seuraava EGFR-MEK/ekstrasellulaarisen signaalin säätelemä kinaasireitti johtaa MUC5AC:n synteesiin ja eritykseen. Uutta ja stimuloivinta tässä työssä on ehdotettu kuvaus viruksen indusoimasta signaalireitistä, joka johtaa mukiinituotantoon.

Yleisesti aiemmissa tutkimuksissa on raportoitu useiden ärsykkeiden aiheuttavan pintasignaalimolekyylien sekvenssin aktivoitumisen ja johtavan EGFR:n aktivoitumiseen, mukaan luettuna ärsykkeen kannalta merkityksellisen reseptorin (usein TLR) aiheuttama signalointi, jonka jälkeen vapautuu reaktiivisia happilajeja, MMP:n, usein TACE:n, aktivoituminen, mikä johtaa EGFR:n proligandin pilkkoutumiseen, minkä jälkeen EGFR:n proteiini sitoutuu EGFR:ään ja se aktivoituu. Tämä sekvenssi johtaa useiden jatkoketjumolekyylien (esim. Ras, Raf ja mitogeeniaktivoitu proteiinikinaasi) ja promoottorin kautta uusien proteiinien (esim. mukiinien) tuotannon stimulointiin. Hewsonin ym. artikkelissa 13 kirjoittajat esittävät, että ärsyke (RV) pääsee soluun ja aktivoi suoraan NF-κB:n, joka sitten stimuloi MMP:tä ja käynnistää näin jatkuvan kaskadin, johon kuuluu proligandin pilkkoutuminen, liukoisen EGFR-ligandin vapautuminen ja EGFR:n aktivoituminen. Tämä on uusi konsepti, ja se järjestäisi uudelleen signaalikaskadin järjestyksen ja ajoituksen (kuva 8 13:sta). Tämän reitin validoimiseksi ajoitukseen liittyvät kysymykset ovat ratkaisevia. Milloin esimerkiksi EGFR:n fosforylaatio tapahtuu? Kuvassa 3b RV-16 aktivoi EGFR:n 8-12 h. Aikaisemmissa julkaisuissa tutkijat ovat havainneet EGFR-vasteiden jäävän muutamassa minuutissa ∼0,5-1 h 10. Hewson et al. 13:ssa EGFR:n fosforylaatiota ei näytetä ennen 4 h. Tapahtuuko EGFR:n fosforylaatio aikaisemmin? Kummallista kyllä, musiinin mRNA ilmoitetaan 8 tunnin kohdalla, ehkä ennen kuin EGFR:n fosforylaatio ilmoitetaan. Näin ollen tulevissa tutkimuksissa ajoitus ja signaalin analysointi ajan perusteella ovat ratkaisevassa asemassa määritettäessä, miten tämä signaalireitti toimii. Lisäksi RV:n tunnistamisen mekanismit epiteelin pinnalla, RV:n pääsy epiteelisolun sisälle ja sen suhde EGFR:n aktivaatioon vaativat lisätutkimuksia.

Solut säilyvät hengissä moduloimalla toimintaansa ajan myötä. Tältä osin tutkijat ovat ponnistelleet kehittääkseen systeemibiologiaa monimutkaisten tapahtumien ennustamiseksi. Systeemibiologinen analyysi osoittaa kuitenkin suuria vaikeuksia rakentaa aikaa järjestelmiin! Tässä ehdotamme, että signaalireittien huolellinen läpileikkaus ajan kuluessa voi edelleen olla hyödyllistä biologisten mekanismien löytämisessä.

Nykyaikana on tunnustettu limakalvojen hypersekretion kliininen merkitys hengitystiesairauksissa, ja tutkijat ovat lisänneet perusmekanismien tutkimista, mukaan luettuna musiinin tuotanto ja limakalvojen hypersekretion taustalla olevat mekanismit. Perifeerisen limakalvotulpan kliininen merkitys ja näiden vaurioiden diagnosoinnin vaikeus edellyttävät uusia lähestymistapoja sekä diagnoosiin että hoitoon. On tarpeen määrittää mekanismit, jotka saavat virusinfektiot laukaisemaan astman pahenemisvaiheita ja miten näitä pahenemisvaiheita voidaan ehkäistä tai hoitaa tehokkaasti. Koska ei-pienikokoisten keuhkosyöpäsolujen, joita käytettiin Hewsonin ym. 13 tutkimuksessa, signaalimekanismit saattavat poiketa huomattavasti astmaatikkojen soluista, astmaatikoilta saatujen epiteelisolujen primaariviljelyn käyttö voi antaa uusia tietoja. Nämä ovat kiireellisiä kysymyksiä, jotka vaativat kiireellisesti lisätutkimuksia. Heikentyneen terveydentilan nykyiset vaikutukset ja virusinfektioiden vakavat taloudelliset vaikutukset astmaatikoilla edellyttävät tällä hetkellä, että tulevan tutkimuksen on oltava ensisijaisen tärkeää selvittää limakalvojen hypersekretioon liittyviä mekanismeja.

Tässä on vielä yksi viimeinen huomautus keuhkotutkijoille. Keuhkosairauksien erikoisala kehittyi myöhään. Koska keuhkot ja hengitystiet ovat kuitenkin tärkeitä tulehdus-, immuuni- ja pahanlaatuisissa sairauksissa, ne sijaitsevat ilmakehän vieressä ja niihin on helppo päästä käsiksi, on ennustettavissa, että keuhkotutkimuksen kasvu kiihtyy edelleen! We are plugging for it!

• ©ERS 2010