Plugging (pubblicizzazione) per prevenire l’intasamento del muco

Il muco è stato a lungo conosciuto per esistere nelle vie aeree, ma è solo relativamente recente che l’ipersecrezione mucosa è stata ampiamente riconosciuta per svolgere ruoli importanti nella patogenesi delle malattie polmonari croniche ostruttive, tra cui l’asma, la malattia polmonare cronica ostruttiva e la fibrosi cistica. Il muco delle vie aeree è una miscela complessa di liquidi e proteine. Componenti importanti sono le mucine che formano il gel, che sono glicoproteine ad alto peso molecolare le cui insolite proprietà viscoelastiche permettono al gel di interagire con le ciglia epiteliali, promuovendo così la rimozione dei materiali estranei depositati. Le mucine delle vie aeree sono esaminate in dettaglio altrove 1. A causa della sua importanza clinica e dell’efficacia limitata delle terapie attuali 2, 3, l’ipersecrezione mucosa è un obiettivo attraente per le nuove terapie.

Come si è evoluto il muco come importante fonte di difesa dell’ospite nelle vie aeree, e quali sono i ruoli della secrezione mucosa nelle malattie croniche ostruttive delle vie aeree? Quando i pesci sono migrati dall’acqua alla terraferma, i polmoni hanno sostituito le branchie per lo scambio di gas respiratorio. Il posizionamento dei polmoni adiacente al cuore, in profondità nella cavità toracica, ha aggiunto il requisito di un tubo d’aria per trasportare l’aria ispirata ai polmoni. Tuttavia, l’aria ispirata contiene anche microbi e altre sostanze irritanti, che si depositano sulla superficie epiteliale delle vie aeree, causando infiammazioni e invadendo l’ospite. In risposta, l’ospite ha sviluppato azioni difensive, che normalmente distruggono ed eliminano gli organismi invasori. Tra le risposte difensive dell’ospite agli invasori inalati, le mucine secrete delle vie aeree svolgono normalmente un ruolo protettivo importante. Le mucine reclutate intrappolano gli invasori, che vengono poi eliminati dalla tosse e dalla clearance mucociliare 4. Negli individui sani, le mucine nelle vie aeree sono scarse ma sufficienti a realizzare l’intrappolamento e la rimozione degli invasori in modo efficiente e con sintomi minimi. Tuttavia, nelle malattie infiammatorie croniche delle vie aeree, come l’asma, si verifica una produzione esagerata di mucina, che porta a sintomi e all’ostruzione delle vie aeree. Nelle principali vie aeree conduttrici, l’ipersecrezione porta alla tosse e alla produzione di espettorato. Nelle piccole vie aeree periferiche, a causa della loro geometria, l’ipersecrezione di muco può portare all’otturazione del lume delle vie aeree. Nell’asma fatale, l’ipersecrezione mucosa è cospicua e si crede che giochi un ruolo importante come causa di morte 5-8.

Vari ricercatori hanno sottolineato l’importanza dell’ostruzione delle piccole vie aeree (intasamento mucoso). Va notato che, a causa della localizzazione dei lumi tappati nelle piccole vie aeree, il riconoscimento clinico dei tappi mucosi è stato problematico, e l’ostruzione delle vie aeree periferiche è rimasta una zona relativamente silenziosa dei polmoni, non facilmente identificabile fisiologicamente, tramite esame radiologico o studio broncoscopico. La diagnosi di ostruzione delle vie aeree rimane una sfida per gli investigatori!

Di recente, l’ipersecrezione mucosa è stata riconosciuta come un importante problema clinico nelle malattie croniche delle vie aeree e gli studi sulle mucine si sono intensificati. In primo luogo, i geni delle mucine sono stati clonati, fornendo strumenti per ulteriori ricerche sulle mucine. Poiché gli organismi invasori, gli allergeni, il fumo di sigaretta e altre particelle irritanti si depositano sulla superficie epiteliale, i ricercatori hanno cercato meccanismi di segnalazione che permettessero all’ospite di intercettare gli invasori.

Quando un invasore si deposita sulla superficie dell’epitelio delle vie aeree, è stato dimostrato che si verifica una cascata di eventi che culmina nell’attivazione di un recettore sulla superficie epiteliale, il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR), con conseguente produzione di mucina 9. Successivamente, un’ampia varietà di stimoli sono stati trovati per causare la produzione di mucina e altre risposte difensive attraverso l’attivazione di EGFR 10. Nello studio originale, che ha riferito che l’attivazione dell’EGFR da un ligando EGFR ha portato alla produzione di mucina, è stato anche riportato che la produzione di mucina indotta dall’ovalbumina nei ratti è stata inibita da un inibitore selettivo della tirosin-chinasi EGFR, implicando una cascata EGFR nella produzione di mucina indotta dagli allergeni 9. Studi successivi hanno descritto una serie di segnali coinvolti in una cascata di superficie epiteliale, inducendo l’attivazione dell’EGFR e diversi output (ad esempio interleuchina-8 e peptidi antibatterici) da stimoli multipli (ad esempio Pseudomonas aeruginosa, virus, lipopolisaccaridi, fumo di sigaretta, allergeni, elastasi neutrofila e ossidanti) 10. La via di segnalazione comprende l’attivazione di un recettore di superficie (ad esempio il recettore Toll-like (TLR)), l’attivazione della proteina chinasi C, la generazione di specie reattive dell’ossigeno, l’attivazione di una metalloproteasi di superficie (MMP), spesso l’enzima di conversione del fattore di necrosi tumorale-α (TACE), che scinde i ligandi EGFR legati alla membrana, che si legano e attivano EGFR, con conseguente produzione di una varietà di proteine e glicoproteine 1.

Nel 2009, Zhu et al. 11 hanno riferito che i gruppi maggiori e minori di rhinovirus (RV) hanno indotto la produzione di mucina, che coinvolge un nuovo percorso TLR3-EGFR-dipendente. I loro studi hanno implicato TLR3 nella cascata di segnalazione, e questi autori hanno suggerito che il meccanismo di difesa antivirale TLR e la fosfatidilinositolo-3′-chinasi proliferazione/riparazione della via EGFR potrebbero svolgere un ruolo importante nelle esacerbazioni della malattia delle vie aeree indotte dal virus. Questo articolo non ha indicato un meccanismo per gli effetti speciali (esagerati) nell’asma. In un altro interessante studio di Bartlett et al. 12, la malattia allergica delle vie aeree indotta dall’ovalbumina è stata aumentata dall’infezione con RV-1B, ma il meccanismo di aumento non è stato descritto.

Nel presente numero dell’European Respiratory Journal, Hewson et al. 13 hanno studiato l’induzione di RV dei sottotipi di mucina 5 A e C (MUC5AC), inizialmente in volontari asmatici, e hanno riportato che l’infezione sperimentale con RV-16 ha portato all’induzione di MUC5AC in proporzione al carico del virus. Poi hanno infettato una linea cellulare di cancro al polmone (NCI-H292) con RV-16 e hanno dimostrato che l’infezione da RV ha causato una significativa induzione di mucina. MUC5AC mRNA è stato aumentato in modo dose-dipendente tra 8 e 48 ore dopo l’infezione (picco 24 ore). L’espressione della mucina indotta dal RV è stata inibita da un inibitore selettivo dell’EGFR e soppressa da un inibitore dell’attivazione della protein chinasi attivata da mitogeno (MEK). L’inibitore MEK ha bloccato la risposta alla mucina 3-24 ore dopo l’infezione. Hanno riferito che l’infezione da RV ha indotto la fosforilazione MEK a 3-24 h (fig. 4c), e un inibitore del legame Sp1 ha portato all’inibizione dell’espressione della mucina (fig. 4d). Un inibitore dell’inibitore della subunità β della chinasi del fattore nucleare-κB (fig. 5b) ha inibito l’espressione della mucina.

Poi hanno esaminato se l’infezione da RV inducesse o meno il rilascio del fattore di crescita trasformante-α (TGF-α) e se questo fosse dipendente dal fattore nucleare-κB (NF-κB). RV-16 ha indotto il rilascio di TGF-α ed è stato significativamente bloccato dall’inibizione di NF-κB (fig. 6b). Gli autori hanno concluso che la via di segnalazione dell’induzione di NF-κB da parte di RV ha attivato le MMP e una successiva via EGFR-MEK/extracellular signal-regulated kinase che porta alla sintesi e alla secrezione di MUC5AC. L’aspetto più nuovo e stimolante di questo lavoro è la descrizione proposta di una via di segnalazione indotta dal virus che porta alla produzione di mucina.

Generalmente, negli studi precedenti, sono stati riportati stimoli multipli che causano l’attivazione di una sequenza di molecole di segnalazione di superficie e che portano all’attivazione dell’EGFR, compresa la segnalazione da parte del recettore pertinente allo stimolo (spesso un TLR), seguita dal rilascio di specie reattive dell’ossigeno, dall’attivazione di una MMP, spesso TACE, con conseguente scissione del proligando EGFR, che poi si lega e attiva EGFR. Questa sequenza porta, attraverso una serie di molecole a valle (per esempio Ras, Raf e protein chinasi attivata da mitogeni) e attraverso un promotore, alla stimolazione della produzione di nuove proteine (per esempio mucine). Nel presente articolo di Hewson et al. 13, gli autori suggeriscono che lo stimolo (RV) entra nella cellula e attiva direttamente NF-κB, che poi stimola una MMP, e quindi induce una cascata continua, compresa la scissione del proligando, il rilascio di ligando EGFR solubile e l’attivazione di EGFR. Questo è un concetto nuovo e riorganizzerebbe la sequenza e i tempi della cascata di segnalazione (fig. 8 di 13). Al fine di convalidare questo percorso, i problemi di tempistica sono critici. Per esempio, quando avviene la fosforilazione di EGFR? In figura 3b, RV-16 attiva EGFR a 8-12 h. In pubblicazioni precedenti, i ricercatori hanno trovato risposte EGFR entro pochi minuti rimanendo per ∼0.5-1 h 10. In Hewson et al. 13, fosforilazione EGFR non è mostrato prima di 4 h. C’è fosforilazione EGFR prima? Curiosamente, l’mRNA della mucina è riportato a 8 h, forse prima della fosforilazione dell’EGFR. Quindi, negli studi futuri, la questione della tempistica e l’analisi della segnalazione basata sul tempo sono fondamentali per determinare come funziona questa via di segnalazione. Inoltre, i meccanismi di riconoscimento di RV sulla superficie epiteliale, l’ingresso di RV all’interno della cellula epiteliale e la sua relazione con l’attivazione di EGFR richiedono ulteriori studi.

Le cellule sopravvivono modulando le loro attività nel tempo. A questo proposito, i ricercatori hanno lottato per sviluppare la biologia dei sistemi per la previsione di eventi complessi. Tuttavia, l’analisi della biologia dei sistemi mostra una grande difficoltà nel costruire il tempo nei sistemi! Qui, suggeriamo che un’attenta dissezione delle vie di segnalazione nel tempo può continuare ad essere utile nella scoperta dei meccanismi biologici.

Oggi, l’importanza clinica dell’ipersecrezione mucosa nelle malattie delle vie aeree è riconosciuta, e i ricercatori hanno aumentato gli studi dei meccanismi di base, compresa la produzione di mucina e i meccanismi alla base dell’ipersecrezione mucosa. L’importanza clinica del tamponamento mucoso periferico e la difficoltà di diagnosticare queste lesioni richiedono nuovi approcci sia alla diagnosi che alla terapia. È necessario determinare i meccanismi che causano le infezioni virali per innescare le esacerbazioni dell’asma e come queste esacerbazioni possono essere prevenute o trattate efficacemente. Dal momento che le cellule del cancro del polmone non piccolo, che sono state utilizzate nello studio di Hewson et al. 13, possono esibire meccanismi di segnalazione sostanzialmente diversi da quelli degli asmatici, l’uso di colture primarie di cellule epiteliali ottenute da soggetti asmatici può fornire nuove conoscenze. Queste sono questioni pressanti che richiedono urgentemente ulteriori indagini. Gli effetti attuali di una salute deteriorata e il grave impatto finanziario delle infezioni virali negli asmatici richiedono attualmente un’alta priorità per la ricerca futura nel chiarire i meccanismi coinvolti nell’ipersecrezione mucosa.

Ecco un commento finale per gli investigatori polmonari. La specialità polmonare si è sviluppata tardi. Tuttavia, a causa dell’importanza dei polmoni e delle vie aeree nelle malattie infiammatorie, immunitarie e maligne, la loro posizione adiacente all’atmosfera e la loro facilità di accesso, si prevede che la crescita della ricerca polmonare continuerà ad accelerare! Ci stiamo impegnando per questo!

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