Plugging (publicering) för att förhindra slemproppning

Slem har länge varit känt att det finns slem i luftvägarna, men det är först på senare tid som det har blivit allmänt erkänt att slemhinneöverskott spelar en viktig roll i patogenesen för kroniska obstruktiva lungsjukdomar, inklusive astma, kronisk obstruktiv lungsjukdom och cystisk fibros. Luftvägsslem är en komplex blandning av vätskor och proteiner. Viktiga komponenter är gelbildande muciner, som är högmolekylära glykoproteiner vars ovanliga viskoelastiska egenskaper gör det möjligt för gelen att interagera med epitelceller, vilket främjar rensningen av främmande material. Luftvägssmuciner granskas i detalj på andra ställen 1. På grund av dess kliniska betydelse och den begränsade effektiviteten hos nuvarande behandlingar 2, 3 är slemhinneöverskott ett attraktivt mål för nya behandlingar.

Hur har slem utvecklats som en viktig källa till värdförsvar i luftvägarna, och vilken roll spelar slemsekretionen i kroniska obstruktiva luftvägssjukdomar? När fiskar vandrade från vatten till land ersatte lungorna gälarna för andningsgasutbytet. Lungorna placerades i anslutning till hjärtat, djupt inne i brösthålan, vilket innebar att det behövdes ett luftrör för att transportera inandningsluften till lungorna. Inspirerad luft innehåller emellertid också mikrober och andra irriterande ämnen som deponeras på luftvägarnas epitelyta, orsakar inflammation och invaderar värden. Som svar på detta har värden utvecklat försvarsåtgärder som normalt förstör och rensar bort de invaderande organismerna. Bland de defensiva svaren från värden på invaderande organismer som inhaleras spelar utsöndrade luftvägsmukiner normalt en viktig skyddande roll. De rekryterade mucinerna fångar upp inkräktarna, som sedan avlägsnas genom hosta och mukociliär rensning 4. Hos friska individer finns det få muciner i luftvägarna, men de är tillräckliga för att effektivt och med minimala symtom fånga in och rensa bort inkräktare. Vid kroniska inflammatoriska luftvägssjukdomar, t.ex. astma, sker dock en överdriven produktion av mucin, vilket leder till symtom och obstruktion av luftvägarna. I de större ledande luftvägarna leder hypersekretion till hosta och sputumproduktion. I små perifera luftvägar kan hypersekretion av slem på grund av deras geometri leda till att luftvägslumen täpps till. Vid astma med dödlig utgång är slemhinnehypersekretion iögonfallande och tros spela en viktig roll som dödsorsak 5-8.

Flera utredare har betonat betydelsen av obstruktion av små luftvägar (slemhinneproppning). Det bör noteras att det på grund av lokaliseringen av de täppta lumen i små luftvägar har varit problematiskt att kliniskt känna igen slemproppar, och perifer luftvägsobstruktion har förblivit en relativt tyst zon i lungorna, som inte lätt kan identifieras fysiologiskt, genom radiologisk undersökning eller genom bronkoskopisk undersökning. Diagnosen av luftvägspluggar förblir en utmaning för utredare!

Nyligen erkändes slemhinnehypersekretion som ett stort kliniskt problem vid kroniska luftvägssjukdomar, och studierna av muciner har intensifierats. Först klonades mucingener, vilket gav verktyg för ytterligare mucinforskning. Eftersom invaderande organismer, allergener, cigarettrök och andra irriterande partiklar deponeras på epitelytan, sökte forskarna efter signalmekanismer som gjorde det möjligt för värden att fånga upp inkräktarna

När en inkräktare deponeras på ytan av luftvägsepitelet har en kaskad av händelser visat sig inträffa, vilket kulminerar i aktivering av en receptor på epitelytan, den epidermala tillväxtfaktorreceptorn (EGFR), och resulterar i mucinproduktion 9. Därefter har det visat sig att en mängd olika stimuli orsakar mucinproduktion och andra defensiva reaktioner genom aktivering av EGFR 10. I den ursprungliga studien, där det rapporterades att aktivering av EGFR genom en EGFR-ligand resulterade i mucinproduktion, rapporterades också att ovalbumininducerad mucinproduktion hos råttor hämmades av en selektiv EGFR-tyrosinkinashämmare, vilket implicerar en EGFR-kaskad i allergeninducerad mucinproduktion 9. Senare studier har beskrivit en rad signaler som är involverade i en kaskad på epitelytan och som inducerar EGFR-aktivering och olika resultat (t.ex. interleukin-8 och antibakteriella peptider) genom flera olika stimuli (t.ex. Pseudomonas aeruginosa, virus, lipopolysackarid, cigarettrök, allergener, neutrofil elastas och oxidanter) 10. Signalvägen omfattar aktivering av en ytreceptor (t.ex. Toll-like receptor (TLR)), aktivering av proteinkinas C, generering av reaktiva syrearter, aktivering av ett ytmatrismetalloproteas (MMP), ofta tumörnekrosfaktor-α-konverterande enzym (TACE), som klyver membranbundna EGFR-ligander, som binder sig till och aktiverar EGFR, vilket resulterar i produktionen av en mängd olika proteiner och glykoproteiner 1.

År 2009 rapporterade Zhu et al. 11 att huvud- och mindre grupper av rhinovirus (RV) inducerade mucinproduktion, vilket involverar en ny TLR3-EGFR-beroende väg. Deras studier involverade TLR3 i signalkaskaden, och dessa författare föreslog att TLR:s antivirala försvarsmaskineri och phosphatidylinositol-3′-kinasproliferation/reparation av EGFR-vägen skulle kunna spela en viktig roll i virusinducerade exacerbationer av luftvägssjukdomar. Artikeln visade inte på någon mekanism för de speciella (överdrivna) effekterna vid astma. I en annan intressant studie av Bartlett et al. 12 förstärktes ovalbumininducerad allergisk luftvägssjukdom genom infektion med RV-1B, men mekanismen för förstärkningen beskrevs inte.

I det aktuella numret av European Respiratory Journal studerade Hewson et al. 13 RV-induktion av mucin 5-subtyperna A och C (MUC5AC), inledningsvis hos frivilliga astmatiker, och rapporterade att experimentell infektion med RV-16 ledde till induktion av MUC5AC i proportion till virusbelastningen. Därefter infekterade de en cellinje för lungcancer (NCI-H292) med RV-16 och visade att RV-infektion orsakade betydande induktion av mucin. MUC5AC mRNA ökade dosberoende mellan 8 och 48 timmar efter infektion (topp 24 timmar). RV-inducerat mucinuttryck hämmades av en selektiv EGFR-hämmare och undertrycktes av en hämmare av aktivering av mitogenaktiverat proteinkinas-kinas (MEK). MEK-hämmaren blockerade mucinsvaret 3-24 timmar efter infektion. De rapporterade att RV-infektion inducerade MEK-fosforylering vid 3-24 timmar (fig. 4c), och en hämmare av Sp1-bindning resulterade i en hämning av mucinuttrycket (fig. 4d). En hämmare av inhibitor of inhibitor of nuclear factor-κB kinase subunit β (fig. 5b) inhiberade mucinuttrycket.

Därefter undersökte de om RV-infektion inducerade frisättning av transforming growth factor-α (TGF-α) och om detta var nuclear factor-κB (NF-κB)-beroende. RV-16 inducerade frisättning av TGF-α och blockerades signifikant av NF-κB-hämning (fig. 6b). Författarna drog slutsatsen att signalvägen för RV-induktion av NF-κB aktiverade MMPs och en efterföljande EGFR-MEK/extracellulär signalreglerad kinasväg som ledde till MUC5AC-syntes och sekretion. Den mest nya och stimulerande aspekten av detta arbete är den föreslagna beskrivningen av en virusinducerad signalväg som leder till mucinproduktion.

I allmänhet har man i tidigare studier rapporterat att flera stimuli har orsakat aktivering av en sekvens av ytliga signalmolekyler och resulterat i EGFR-aktivering, inklusive signalering av den receptor som är relevant för stimulansen (ofta en TLR), följt av frisättning av reaktiva syrearter, aktivering av en MMP, ofta TACE, vilket resulterar i klyvning av EGFR-proligand, som sedan binder till och aktiverar EGFR. Denna sekvens leder via en rad nedströmsmolekyler (t.ex. Ras, Raf och mitogenaktiverat proteinkinas) och via en promotor till stimulering av produktionen av nya proteiner (t.ex. muciner). I den aktuella artikeln av Hewson et al. 13 föreslår författarna att stimulansen (RV) kommer in i cellen och direkt aktiverar NF-κB, som sedan stimulerar ett MMP och därmed inducerar en fortsatt kaskad, inklusive proligandklyvning, frisättning av lösligt EGFR-ligand och aktivering av EGFR. Detta är ett nytt koncept som skulle ändra sekvensen och tidpunkten för signalkaskaden (fig. 8 av 13). För att validera denna väg är det viktigt att ta hänsyn till tidsaspekten. När sker till exempel EGFR-fosforylering? I figur 3b aktiverar RV-16 EGFR vid 8-12 h. I tidigare publikationer har utredare funnit EGFR-svar inom minuter som återstår för ∼0,5-1 h 10. I Hewson et al. 13 visas inte EGFR-fosforylering före 4 h. Finns det tidigare EGFR-fosforylering? Märkligt nog rapporteras mucin mRNA vid 8 h, kanske innan EGFR-fosforylering rapporteras. I framtida studier är frågan om timing och analys av signalering baserat på tid avgörande för att fastställa hur denna signalväg fungerar. Vidare kräver mekanismerna för RV-igenkänning på epitelytan, RV:s inträde i epitelcellen och dess förhållande till EGFR-aktivering ytterligare studier.

Celler överlever genom att modulera sina aktiviteter över tiden. I detta avseende har forskare kämpat för att utveckla systembiologi för att förutsäga komplexa händelser. Systembiologisk analys visar dock att det är mycket svårt att bygga in tid i systemen! Här föreslår vi att en noggrann dissektion av signalvägar över tid kan fortsätta att vara användbar för att upptäcka biologiska mekanismer.

För närvarande erkänner man den kliniska betydelsen av slemhinnehypersekretion vid sjukdomar i luftvägarna, och forskare har ökat studierna av de grundläggande mekanismerna, inklusive mucinproduktion och de mekanismer som ligger till grund för slemhinnehypersekretion. Den kliniska betydelsen av perifer slemproppning och svårigheten att diagnostisera dessa lesioner kräver nya tillvägagångssätt för både diagnos och behandling. Det är nödvändigt att fastställa de mekanismer som gör att virusinfektioner utlöser astmaexacerbationer och hur dessa exacerbationer kan förebyggas eller behandlas effektivt. Eftersom icke-små lungcancerceller, som användes i studien av Hewson et al. 13, kan uppvisa väsentligt annorlunda signalmekanismer än astmatiker, kan användningen av primärkultur av epitelceller som erhållits från astmatiker ge nya insikter. Detta är brådskande frågor som kräver ytterligare undersökningar. De nuvarande effekterna av försämrad hälsa och de allvarliga ekonomiska konsekvenserna av virusinfektioner hos astmatiker kräver för närvarande en hög prioritet för framtida forskning för att klargöra de mekanismer som är inblandade i slemhinnehypersekretion.

Här är en sista kommentar för lungforskare. Lungespecialiteten utvecklades sent. Men på grund av lungornas och luftvägarnas betydelse för inflammatoriska, immunologiska och maligna sjukdomar, deras placering i anslutning till atmosfären och deras lättillgänglighet förutspås det att tillväxten inom lungforskningen kommer att fortsätta att accelerera! Vi satsar på det!

• ©ERS 2010