Afstoppen (openbaar maken) om verstopping door slijm te voorkomen

Mucus is al lang bekend in de luchtwegen, maar pas vrij recent wordt algemeen erkend dat slijmhypersecretie een belangrijke rol speelt in de pathogenese van chronische obstructieve longziekten, waaronder astma, chronisch obstructieve longziekte en cystische fibrose. Luchtwegslijm is een complex mengsel van vloeistoffen en eiwitten. Belangrijke componenten zijn gel-vormende mucinen, glycoproteïnen met een hoog moleculair gewicht, waarvan de ongewone visco-elastische eigenschappen interactie tussen de gel en epitheliale trilharen mogelijk maken, en zo de verwijdering van afgezette vreemde materialen bevorderen. Luchtwegmucinen worden elders in detail besproken 1. Vanwege het klinisch belang en de beperkte effectiviteit van de huidige therapieën 2, 3, is slijm hypersecretie een aantrekkelijk doelwit voor nieuwe therapieën.

Hoe is slijm geëvolueerd als een belangrijke bron van gastheer verdediging in de luchtwegen, en wat zijn de rollen van slijmsecretie in chronische obstructieve luchtwegaandoeningen? Toen vissen van het water naar het land migreerden, vervingen de longen de kieuwen voor de uitwisseling van ademhalingsgassen. Door de plaatsing van de longen naast het hart, diep in de borstholte, werd de noodzaak van een luchtbuis om de geïnspireerde lucht naar de longen te transporteren toegevoegd. De aangezogen lucht bevat echter ook microben en andere irriterende stoffen, die zich afzetten op het epitheliale oppervlak van de luchtwegen, ontstekingen veroorzaken en de gastheer binnendringen. Als reactie hierop heeft de gastheer verdedigingsmaatregelen ontwikkeld, die normaliter de binnendringende organismen vernietigen en opruimen. Onder de verdedigingsreacties van de gastheer op geïnhaleerde indringers spelen afgescheiden luchtwegmucines gewoonlijk een belangrijke beschermende rol. De aangevoerde mucinen sluiten de indringers in, die vervolgens door hoesten en mucociliaire klaring worden opgeruimd 4. Bij gezonde mensen zijn de mucines in de luchtwegen schaars, maar voldoende om de insluiting en opruiming van indringers efficiënt en met minimale symptomen uit te voeren. Bij chronische inflammatoire luchtwegaandoeningen, zoals astma, treedt echter een overdreven mucineproductie op, die leidt tot symptomen en luchtwegobstructie. In de belangrijkste luchtwegen leidt hypersecretie tot hoest en sputumproductie. In kleine perifere luchtwegen kan door hun geometrie hypersecretie van slijm leiden tot verstopping van het luchtweglumen. Bij fatale astma is de slijmerige hypersecretie opvallend en wordt verondersteld een belangrijke rol te spelen als doodsoorzaak 5-8.

Verschillende onderzoekers hebben het belang van obstructie van kleine luchtwegen (mucous plugging) benadrukt. Er zij op gewezen dat, wegens de lokalisatie van verstopte lumina in kleine luchtwegen, de klinische herkenning van slijmprop problematisch is geweest, en dat perifere luchtwegobstructie een relatief stille zone van de longen is gebleven, die niet gemakkelijk fysiologisch, radiologisch of bronchoscopisch kan worden geïdentificeerd. De diagnose van verstopping van de luchtwegen blijft een uitdaging voor onderzoekers!

Recent werd de hypersecretie van slijm erkend als een belangrijk klinisch probleem bij chronische luchtwegaandoeningen, en het onderzoek naar mucinen werd geïntensifieerd. Eerst werden mucine-genen gekloond, wat instrumenten verschafte voor verder mucine-onderzoek. Omdat binnendringende organismen, allergenen, sigarettenrook en andere irriterende deeltjes op het epitheliale oppervlak worden afgezet, zochten onderzoekers naar signaalmechanismen die de gastheer in staat stelden de indringers te onderscheppen.

Wanneer een indringer op het oppervlak van het luchtwegepitheel wordt afgezet, blijkt er een cascade van gebeurtenissen op te treden die culmineert in de activering van een receptor op het epitheliale oppervlak, de epidermale groeifactorreceptor (EGFR), en die resulteert in de productie van mucine 9. Vervolgens is gebleken dat een grote verscheidenheid van stimuli de productie van mucine en andere defensieve reacties via activering van EGFR teweegbrengt 10. In de oorspronkelijke studie, waarin werd gerapporteerd dat activering van EGFR door een EGFR-ligand resulteerde in mucineproductie, werd ook gerapporteerd dat ovalbumine-geïnduceerde mucineproductie bij ratten werd geremd door een selectieve EGFR-tyrosinekinaseremmer, hetgeen wijst op een EGFR-cascade bij allergeen-geïnduceerde mucineproductie 9. Latere studies hebben een reeks signalen beschreven die betrokken zijn bij een cascade aan het epitheliale oppervlak en die EGFR-activering en verschillende outputs (b.v. interleukine-8 en antibacteriële peptiden) induceren bij uiteenlopende stimuli (b.v. Pseudomonas aeruginosa, virussen, lipopolysaccharide, sigarettenrook, allergenen, neutrofiele elastase en oxidanten) 10. De signaleringsroute omvat activering van een oppervlaktereceptor (bv. de Toll-like receptor (TLR)), activering van proteïnekinase C, generatie van reactieve zuurstofspecies, activering van een matrixmetalloprotease (MMP) aan het oppervlak, vaak tumornecrosefactor-α-converterend enzym (TACE), dat membraangebonden EGFR-liganden splitst, die zich aan EGFR binden en EGFR activeren, hetgeen resulteert in de productie van een reeks eiwitten en glycoproteïnen 1.

In 2009 rapporteerden Zhu et al. 11 dat de major en minor groepen van rhinovirus (RV) mucinproductie induceren, waarbij een nieuwe TLR3-EGFR-afhankelijke route betrokken is. Hun studies impliceerden TLR3 in de signaalcascade, en deze auteurs suggereerden dat de TLR antivirale verdedigingsmechanismen en de fosfatidylinositol-3′-kinase proliferatie/herstel van de EGFR pathway een belangrijke rol zouden kunnen spelen in virus-geïnduceerde luchtwegaandoeningen exacerbaties. In dit artikel werd geen mechanisme aangegeven voor de bijzondere (overdreven) effecten bij astma. In een andere interessante studie van Bartlett et al. 12 werd ovalbumine-geïnduceerde allergische luchtwegziekte versterkt door infectie met RV-1B, maar het mechanisme van de verhoging werd niet beschreven.

In het huidige nummer van het European Respiratory Journal bestudeerden Hewson et al. 13 RV-inductie van mucine 5 subtypes A en C (MUC5AC), aanvankelijk in astmatische vrijwilligers, en meldden dat experimentele infectie met RV-16 leidde tot MUC5AC-inductie in verhouding tot de virusbelasting. Vervolgens infecteerden zij een longkanker cellijn (NCI-H292) met RV-16 en toonden aan dat RV infectie significante inductie van mucine veroorzaakte. MUC5AC mRNA werd dosis-afhankelijk verhoogd tussen 8 en 48 uur na infectie (piek 24 uur). RV-geïnduceerde mucine expressie werd geremd door een selectieve EGFR remmer en onderdrukt door een remmer van mitogeen-geactiveerde proteïne kinase (MEK) activatie. De MEK-remmer blokkeerde de mucine respons 3-24 uur na infectie. Zij meldden dat RV infectie MEK fosforylering induceerde op 3-24 h (fig. 4c), en een remmer van Sp1 binding resulteerde in remming van mucine expressie (fig. 4d). Een remmer van inhibitor van nucleaire factor-κB kinase subunit β (fig. 5b) remde mucine expressie.

Daarna onderzochten ze of RV infectie al dan niet het vrijkomen van transformerende groeifactor-α (TGF-α) induceerde en of dit nucleaire factor-κB (NF-κB)-afhankelijk was. RV-16 induceerde het vrijkomen van TGF-α en werd significant geblokkeerd door remming van NF-κB (fig. 6b). De auteurs concludeerden dat de signaalroute van RV-inductie van NF-κB MMP’s activeerde en een daaropvolgende EGFR-MEK/extracellulair signaal-gereguleerde kinase-route die leidde tot MUC5AC-synthese en -secretie. Het meest nieuwe en stimulerende aspect van dit werk is de voorgestelde beschrijving van een door het virus geïnduceerde signaaltransductieroute die leidt tot mucinproductie.

In het algemeen is in eerdere studies gemeld dat meerdere stimuli een sequentie van oppervlaktesignalerende moleculen activeren en resulteren in EGFR-activering, inclusief signalering door de voor de stimulus relevante receptor (vaak een TLR), gevolgd door het vrijkomen van reactieve zuurstofspecies, activering van een MMP, vaak TACE, resulterend in de splitsing van EGFR-proligand, dat zich vervolgens bindt aan EGFR en EGFR activeert. Deze sequentie leidt via een reeks downstream-moleculen (b.v. Ras, Raf en mitogeen-geactiveerd proteïnekinase) en via een promotor tot stimulering van de productie van nieuwe eiwitten (b.v. mucinen). In het huidige artikel van Hewson et al. 13 suggereren de auteurs dat de stimulus (RV) de cel binnendringt en rechtstreeks NF-κB activeert, dat vervolgens een MMP stimuleert, en zo een voortgezette cascade induceert, met inbegrip van proligand-splitsing, het vrijkomen van oplosbaar EGFR-ligand en activering van EGFR. Dit is een nieuw concept en zou de volgorde en timing van de signaleringscascade herschikken (fig. 8 van 13). Om deze route te valideren zijn timingkwesties van cruciaal belang. Bijvoorbeeld, wanneer treedt EGFR-fosforylering op? In figuur 3b activeert RV-16 EGFR na 8-12 uur. In eerdere publicaties hebben onderzoekers EGFR-reacties gevonden binnen enkele minuten die nog ∼0,5-1 uur 10. In Hewson et al. 13, EGFR fosforylering wordt niet getoond voorafgaand aan 4 h. Is er sprake van eerdere EGFR fosforylering? Vreemd genoeg wordt mucine mRNA gerapporteerd na 8 uur, misschien voordat EGFR fosforylering wordt gerapporteerd. In toekomstige studies zijn timing en analyse van de signalering op basis van tijd dus van cruciaal belang om te bepalen hoe deze signaleringsroute functioneert. Bovendien vereisen de mechanismen van RV-herkenning op het epitheliale oppervlak, binnenkomst van RV in de epitheliale cel en de relatie met EGFR-activering aanvullende studies.

Cellen overleven door hun activiteiten in de tijd te moduleren. In dit verband hebben onderzoekers geworsteld met het ontwikkelen van systeembiologie voor het voorspellen van complexe gebeurtenissen. De systeembiologische analyse laat echter zien dat het heel moeilijk is om tijd in systemen in te bouwen! Hier suggereren we dat een zorgvuldige dissectie van signaalwegen in de tijd nuttig kan blijven bij het ontdekken van biologische mechanismen.

Huidig wordt het klinisch belang van slijmerige hypersecretie bij luchtwegaandoeningen erkend, en onderzoekers hebben de studies van de basismechanismen opgevoerd, inclusief mucinproductie en de mechanismen die aan slijmerige hypersecretie ten grondslag liggen. Het klinisch belang van perifere slijmpropvorming en de moeilijkheid om deze letsels te diagnosticeren vereisen nieuwe benaderingen voor zowel diagnose als therapie. Het is noodzakelijk de mechanismen te bepalen die virale infecties astma exacerbaties doen veroorzaken en hoe deze exacerbaties kunnen worden voorkomen of effectief behandeld. Aangezien niet-kleincellige longkankercellen, die in de studie van Hewson et al. 13 werden gebruikt, wezenlijk andere signaleringsmechanismen kunnen vertonen dan astmapatiënten, kan het gebruik van primaire cultuur van epitheelcellen die van astmapatiënten zijn verkregen, nieuwe inzichten verschaffen. Dit zijn dringende kwesties die dringend verder moeten worden onderzocht. De huidige effecten van een verslechterde gezondheid en de ernstige financiële gevolgen van virale infecties bij astmapatiënten geven momenteel een hoge prioriteit aan toekomstig onderzoek ter opheldering van de mechanismen die betrokken zijn bij slijmhypersecretie.

Hier is nog een laatste opmerking voor longonderzoekers. Het pulmonale specialisme is laat in zijn ontwikkeling gekomen. Echter, vanwege het belang van longen en luchtwegen bij ontstekings-, immuun- en kwaadaardige ziekten, hun ligging aan de atmosfeer en hun gemakkelijke toegang, wordt voorspeld dat de groei van het pulmonale onderzoek zal blijven versnellen! Wij gaan ervoor!

• ©ERS 2010

↵

1. Groneberg DA,
2. Eynott PR,
3. Lim S,
4. et al

. Expressie van respiratoire mucines in fatale status asthmaticus en milde astma. Histopathology 2002; 40: 367-373.

↵

1. Takeyama K,
2. Dabbagh K,
3. Lee HM,
4. et al

. Epidermal growth factor system reguleert mucinproductie in luchtwegen. Proc Natl Acad Sci USA 1999; 96: 3081-3086.

↵

1. Burgel PR,
2. Nadel JA

. Epidermal growth factor receptor-gemedieerde aangeboren immuunresponsen en hun rol in luchtwegaandoeningen. Eur Respir J 2008; 32: 1068-1081.

↵

1. Zhu L,
2. Lee PK,
3. Lee WM,
4. et al

. Rhinovirus-induced major airway mucin production involves a novel TLR3-EGFR-dependent pathway. Am J Respir Cell Mol Biol 2009; 40: 610-619.

↵

1. Bartlett NW,
2. Walton RP,
3. Edwards MR,
4. et al

. Muismodellen van rhinovirus-geïnduceerde ziekte en exacerbatie van allergische luchtwegontsteking. Nat Med 2008; 14: 199-204.

↵

1. Hewson CA,
2. Haas JJ,
3. Bartlett NW,
4. et al

. Rhinovirus induceert MUC5AC in een humaan infectiemodel en in vitro via NF-κB en EGFR pathways. Eur Respir J 2010; 36: 1425-1435.