Nedsatt sekretorisk IgA og slimhinneimmunitet ved cystisk fibrose (Forton2015)

Nedsatt sekretorisk IgA og slimhinneimmunitet ved cystisk fibrose:

rolle CFTR-relaterte epitelendringer i reguleringen av pIgR-mediert IgA-transcytose og bidrag til lungepatologi og svekket forsvar mot bakterielle infeksjoner.

PROSJEKTBESKRIVELSE Cystisk fibrose (CF) representerer den vanligste letale autosomale recessive lidelsen i den hvite befolkningen, og påvirker hovedsakelig lungene. 24 år etter identifiseringen av genet som er ansvarlig for sykdommen, gjenstår mange spørsmål, dagens behandlinger er symptomatiske og det er fortsatt en dødelig sykdom. Det påvirker Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator (CFTR)-genet, som koder for et protein uttrykt på den apikale membranen til luftveisepitelceller, hvor det fungerer som en cAMP-avhengig kloridkanal og regulator av andre kanaler, inkludert den epiteliale Na+-kanalen (ENaC) . Mutasjoner av CFTR (F508del, 70 % av tilfellene) resulterer enten i funksjonsfeil eller fullstendig fravær av CFTR-proteinet ved den apikale membranen, på grunn av feilfolding av protein og retensjon i det endoplasmatiske retikulum. Det resulterer i defekter i kloridutstrømming og hydrering av epitelforingsvæsken, noe som resulterer i unormalt tyktflytende slim som kan blokkere luftveiene, tarmlumen og kjertelkanaler (f.eks. i bukspyttkjertelen). CFTR-dysfunksjon fører også til pro-inflammatorisk aktivering (f.eks. gjennom NFkB) av epitelet, noe som resulterer i frigjøring av CXCL8/IL8 (Sloane et al, 2005) og svekket produksjon av beskyttende faktorer som a-defensiner. Luftveiskolonisering av luftveiene og lungeinfeksjoner er et kjennetegn på denne sykdommen, spesielt med Pseudomonas aeruginosa (PA) som rammer 70 % av CF-pasienter og er assosiert med dårlige kliniske utfall. Mekanismene som ligger til grunn for persistensen av patogener i CF-luftveiene er imidlertid stort sett uklare.

Dette prosjektet tar sikte på å undersøke om produksjonen av sekretorisk IgA (S-IgA) er svekket i CF-lungen, gjennom hvilke mekanismer, og om denne defekten bidrar til patogenesen av CF ved å svekke immunbeskyttelsen mot respiratoriske patogener som PA. S-IgA er en hovedlinje for slimhinneforsvar, gjennom såkalt immunekskludering av inhalerte/inntatte antigener og patogener (Norderhaug et al, 1999). Etter syntese av polymer (hovedsakelig dimer) IgA av subepiteliale slimhinneplasmaceller, transporteres p-IgA over epitelet ved en transcellulær ruting mediert av den polymere immunoglobulinreseptoren (pIgR). P-IgA binder seg til pIgR ved den basolaterale polen av epitelet, og transcytoseres opp til den apikale polen, hvor en proteolytisk spaltning frigjør den ekstracellulære delen av pIgR, kalt sekretorisk komponent (SC) som forblir bundet til p-IgA til danne S-IgA. Denne transporten representerer den viktigste transcellulære rutingen i kroppen (3g/dag). S-IgA produseres hovedsakelig ved slimhinnestimulering av mikrobielle signaler som virker gjennom Toll-lignende reseptorer på epitelceller og B-celler (MacPherson et al, 2008) mens cytokiner (IFN-g, IL-4, IL-1 eller TNF-a) kan oppregulere pIgR-ekspresjon og/eller transcytose (se oversikt Pilette et al, 2001a).

En defekt i pIgR-ekspresjon er identifisert ved røykindusert kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) (Pilette et al, 2001b). Redusert pIgR ved KOLS kan skyldes nedbrytning av nøytrofilavledede serinproteinaser (Pilette et al, 2003), samt svekket gentranskripsjon (Gohy & Pilette, innsendt manuskript). I motsetning til KOLS er det fortsatt uklart om pIgR-ekspresjon påvirkes i CF, gjennom hvilke mekanismer, og i så fall med hvilke konsekvenser i form av slimhinneforsvar. Vår hypotese er at pIgR-ekspresjon reduseres i CF-epitel, som et resultat av CFTR-relaterte epitelendringer, og fører til svekket IgA-mediert immuneksklusjon av respiratoriske patogener, og favoriserer dermed kronisk bakteriell kolonisering og lungeinfeksjoner i CF. De spesifikke målene for dette prosjektet er som følger:

1. for å evaluere pIgR- og IgA-ekspresjon i bronkialvev fra CF-pasienter, sammenlignet med kontroller. Dette vil bli utført både i lungeeksplantater fra CF-pasienter med lungesykdom i sluttstadiet (11 fra KULeuven og 18 fra Paris, allerede samlet inn; sammenlignet med 7 eksplantater fra kontroller og til lungekirurgiske prøver fra ikke-røykere) og i bronkiale biopsier (n=8) og BAL (2x50mL) samplet under pre-transplantasjonsbronkoskopier (prospektiv prøvetaking, KULeuven). Kontrollpersoner vil være pasienter uten CF og uten tegn på lungesykdom og som er i narkose av selvstendig grunn ved KULeuven-senteret. I tillegg vil en serie med sputum (fra CF og kontrollpasienter) også analyseres. Kontrollpersoner vil bestå av KOLS-pasienter og friske personer (røykere eller ikke). I tillegg vil det også innhentes nasosinusale og rektale biopsier fra CF, for å undersøke slimhinne-CF-vev utenfor lungemiljøet. Avlesningene vil bestå av pIgR-ekspresjon på både gen- (RT-qPCR) og protein- (immunhistokjemi, western blot) nivåer, samt for IgA (immunhistokjemi, RT-qPCR for IgA1 og IgA2). I tillegg vil (S-)IgA og SC måles i bronkial lavagevæsker og i sputum.

   Globalt forventet vi om mulig å analysere 30 eksplantater, 30 endoskopier og 150 sputum.

2. for å vurdere S-IgA-antistoffer mot luftveisbakterier i CF-luftveier: Relevansen av S-IgA-mangel ved CF vil bli vurdert med tanke på mikrobiell kolonisering av nedre luftveier. Først vil korrelasjon mellom lave S-IgA-nivåer (både total IgA og patogenspesifikk IgA) og kolonisering av patogener – spesielt PA – testes i sputum og bronkialskyllevæsker fra CF-pasienter. I tillegg vil en regional/romlig sammenheng mellom S-IgA-defekt og PA-farging også tas opp i lungeeksplantater. For det andre vil PA-spesifikke IgA-antistoffer bli analysert i bronkial lavage og sputumvæsker, og korrelert til koloniseringsdata.
3. for å evaluere bidraget av S-IgA-defekt til lungepatologi hos CFTR KO-mus: Det potensielle bidraget til S-IgA-mangel til CF-lungesykdom vil bli vurdert in vivo ved bruk av CFTR KO-mus. Siden disse KO-musene ikke rekapitulerer den menneskelige CF-fenotypen, vil vi dra nytte av vår pilotobservasjon at gjentatt LPS-eksponering - som fører til en KOLS-lignende fenotype (Juanita et al, 2002) - resulterer i pIgR/SC-nedregulering (se " Resultater oppnådd"). Vi vil dermed evaluere om pIgR-mangel indusert ved kronisk LPS-eksponering fremmer utviklingen av en lungepatologi med CF-trekk hos CFTR KO-mus. Følgelig kan doble (CFTR, pIgR) KO-mus genereres for direkte å adressere bidraget til pIgR-mangel til lungepatologi i forbindelse med CFTR-mutasjon. I tillegg vil en andre modell som etterligner vedvarende PA-infeksjon (Martin et al, 2011) bli brukt for å adressere effekten av PA i CFTR- og/eller pIgR KO-mus. Beta-eNaC Tg-mus har en baseline lungepatologi og kan også oppnås og infiseres av en modell av PA-infeksjon (mikrokuler, Pr Burgel). Avlesningene vil inkludere histomorfologiske og biomolekylære analyser (inflammatoriske og cytokinresponser), og lungefunksjonstester (FlexiVent).
4. å utforske mekanismer for pIgR-nedregulering i CF-epitelet: Siden CFBE 41o-cellelinje (uttrykker wt eller mutant F508del CFTR; Bruscia et al, 2002) ikke uttrykker signifikante nivåer av pIgR (se "Resultater oppnådd"), er primært humant bronkialepitel. celler (HBEC) vil bli brukt til å vurdere om pIgR-nedregulering opprettholdes i CF-epitel dyrket in vitro. Primærkulturer i luft-væske-grensesnitt (ALI) av HBEC vil bli utført fra CF-pasienter, sammenlignet med kontroller (oppegående protokoll i PIs laboratorium i KOLS; celler fra EpithelixR vil også bli brukt; så vel som nasal celler fra CF (de Courcey et al, 2012)). ALI-kulturer gjør det mulig å evaluere cellulære funksjoner i et polarisert og rekonstituert muco-ciliært luftveisepitel, enten hvilende eller stimulert av LPS og/eller IL-1. Hvis pIgR-ekspresjon også er redusert i CF-epitelet in vitro, kan det relateres til enten CFTR-gendefekten og/eller til epigenetisk minne om in vivo-pregingen av epitelet av det inflammatoriske mikromiljøet. Vi vil dermed skille disse mulighetene ved å bruke CFTR-hemmere (CFTR-inh172, PPQ-102; Martin et al, 2013). En annen post-transkripsjonell mekanisme for pIgR-dysfunksjon inkluderer feil adressering til cellemembranen: forholdet mellom forstyrret ekspresjon av hver reseptor (apikal CFTR, basal pIgR) vil bli evaluert. Avlesninger vil inkludere pIgR-ekspresjon vurdert ved immunfarging (av filtre) og western blot, og ved RT-qPCR. Funksjonen til pIgR vil bli testet ved å måle kapasiteten til ALI-epitelet til å transcytose dimerisk IgA fra basolateralt til det apikale kammeret. Membranadressering av CFTR (apikal) og pIgR (basal) vil bli studert ved konfokalmikroskopi.