文摘
吸入糖皮质激素(女性)作为一线药物用于哮喘,和各种小说antiasthma药物针对2型免疫介质现在正在开发。然而,分子靶向药物价格昂贵,造成病人经济负担。我们之前和其他人发现pendrin / SLC26A4 IL-13的下游分子,签名2型细胞因子的关键哮喘,并显示其意义使用模型小鼠哮喘的发病机制。然而,pendrin如何导致气道炎症的分子机制仍然难以捉摸。我们最近证明hypothiocyanite (OSCN−)由pendrin / DUOX /过氧化物酶途径有可能导致气道炎症。硫氰酸Pendrin传输(SCN−在细胞的顶面)肺腔。氧化物酶催化视交叉上核−和H2O2由DUOX OSCN−。低剂量的OSCN−激活NF -κB在气道上皮细胞,而OSCN−高剂量导致坏死的细胞,诱导释放IL-33,加速炎症。OSCN−生产是增强在哮喘模型小鼠和可能在某些哮喘病人。血红素过氧化物酶抑制剂,广泛用作抗甲状腺药物,减少会在小鼠表型,说明这个途径的重要性。这些发现说明重新定位抗甲状腺药物是antiasthma药物的可能性。
1。介绍
哮喘是一种常见的慢性呼吸道疾病症状和features-wheezing特征变量,气短、咳嗽、和呼气气流限制(1]。哮喘是估计影响全世界至少3亿人,使其成为重要的医学和社会问题。吸入糖皮质激素(女性)作为一线药物用于哮喘。尽管女性是非常有效的,估计5 - 10%的哮喘患者有严重的哮喘的特征是难以实现疾病控制虽然高剂量女性加上长效β2受体激动剂或口服糖皮质激素,约占总成本的50%治疗哮喘(2,3]。众所周知,2型炎症主要在哮喘的发病机制4]。基于免疫学背景,各种新颖antiasthma药物靶向免疫mediators-interleukin - 2型(IL) 4, IL-5, IL-13, TSLP, IL-33, CRTH2-are现在正在开发5]。然而,分子靶向药物,主要是生物制剂,是昂贵的,创建一个病人的经济负担。因此,重视阐明严重哮喘的发病机制,以帮助确定治疗策略,对这些病人将更便宜。
有零星报道,il - 4和/或IL-13,签名2型细胞因子,影响离子运输在气道组织(6]。然而,如何在气道离子运输组织的基本机制导致炎症并没有得到充分的解释。我们之前和其他人发现,pendrin / SLC26A4离子转运体位于气道上皮细胞的顶端,是一个下游分子的il - 4 / IL-13信号,在哮喘的发病机制中扮演了重要的角色(7,8]。然后我们调查了pendrin如何导致气道炎症,确定hypothiocyanite (OSCN的重要性−通过pendrin)生产/ DUOX /过氧化物酶通路(9,10]。这些结果首次揭示了离子的参与或其导数在哮喘的发病机制。此外,这些发现表明,我们可以应用抗甲状腺药物,pan-heme过氧化物酶抑制剂,为antiasthma药物药物重新定位。
在本文中,我们描述了我们如何开始我们的研究和我们已经到达了这些发现。
2。发现Pendrin作为il - 4的下游分子/ IL-13信号
2型炎症的细胞因子il - 4和IL-13签名由TH2细胞,滤泡辅助T细胞,先天淋巴细胞组2 (ILC2)、嗜酸性粒细胞、肥大细胞和嗜碱粒细胞(11- - - - - -14]。许多分析使用哮喘模型小鼠建立了il - 4和/或IL-13的意义,尤其是后者,在哮喘的发病机制11,15- - - - - -17]。基于这些发现,几个il - 4或IL-13信号拮抗剂如tralokinumab和dupilumab现在在临床开发antiasthma药物(18,19]。确定一个新的中介参与哮喘发病机理的下游IL-13信号,我们之前和其他人使用DNA微阵列来搜索IL-13-induced分子在人类呼吸道上皮细胞,发现SLC26A4基因编码pendrin下游分子IL-13 [7,20.,21]。此外,Pedemonte等人发现,il - 4增加硫氰酸(SCN−独立)运输在人类呼吸道上皮细胞的囊性纤维化跨膜电导调节(雌性生殖道)[22]。他们发现,在研究了转运蛋白,SLC26A4基因显著诱导il - 4, pendrin负责SCN−/ Cl−交换。因此,pendrin似乎是il - 4——或者IL-13-inducible分子。
在协议在体外实验中,我们和其他人证明pendrin高度表达的肺部哮喘模型小鼠ovalbumin-inhaled等IL-13-inhaled, IL-13转基因小鼠(7,20.- - - - - -23]。我们发现pendrin表达在气道上皮细胞的顶端ovalbumin-inhaled老鼠(7]。Nonciliated气道上皮细胞有可能主要pendrin-expressing细胞il - 4 / IL-13刺激时,由于IL-13-overexpressing pendrin表达调节小鼠,其中STAT6仅表现在Nonciliated气道上皮细胞(21]。此外,pendrin表达增强模型小鼠的急性和慢性哮喘(23]。
自SLC26A4基因是一种il - 4 / IL-13-inducible分子,它是合理的,认为STAT6,转录因子il - 4 / IL-13的关键信号,调节的表达SLC26A4基因。Nofziger等人发现存在两个共识结合位点STAT6 (TTC) (N4)棉酚)3472−3463(主题1)和1812−−−1803(主题2)5侧翼的区域SLC26A4基因(24,25]。Vanoni等人表明,尽管两个共识序列可以绑定STAT6 il - 4曝光后,il - 4——或者IL-13-inducible pendrin表达式只需要主题2 (25]。这些结果表明,il - 4或引发IL-13的表达SLC26A4基因在独联体调节方式。
之后它被证明除了il - 4和IL-13, pendrin表达式在肺组织或气道上皮细胞可以有其他原因。其中包括各种细胞因子,如il - 1β(22,26]和IL-17A [27- - - - - -29日]。也可能是各种环境刺激,如硅(30.),焊接烟雾(31日],C60富勒烯(32碳纳米管[],着单壁球长大33]。此外,致病微生物或microbe-derived molecules-pertussis毒素(27,34)和干扰素-的组合γ(IFN -γ)和鼻病毒(8)-是一个原因。这些发现扩展pendrin的潜在的病理生理作用。的注意,IL-13和IL-17A增强pendrin表达式在气道上皮细胞29日]。由于表达IL-17A严重哮喘的特征与中性粒细胞的浸润35),pendrin可能最大限度地表达了严重哮喘患者。
3所示。哮喘的病理Pendrin的角色
使用模型小鼠,我们和Nakagami等人先前已证明的重要性pendrin在气道过敏性炎症的发病机制7,8]。过度的pendrin支气管组织导致粘液hyperproduction,增强气道代(AHR)和upregulation趋化因子表达其次是中性粒细胞的浸润7]。相反地,卵白蛋白挑战pendrin-deficient老鼠降低气道反应性炎症细胞的浸润,包括嗜酸性粒细胞在支气管肺泡灌洗液(BALF),尽管系统性IgE生产、粘液生产,2型细胞因子的生产不改变(8]。因此,据报道,pendrin表达增强在哮喘患者与对照组相比36),虽然是一个矛盾的报告21]。pendrin此外,它已被证明是高度表达的鼻粘膜慢性鼻窦炎和鼻息肉患者(CRSwNP)和过敏性鼻炎(AR) [29日,37]。众所周知,嗜酸性CRS哮喘患者的存在是一个风险因素的恶化哮喘和伴随的基于“增大化现实”技术的存在会影响哮喘的严重程度(38]。这些结果支持pendrin的致病意义上和下呼吸道过敏性炎症。
pendrin参与的气道炎症的发病机制已扩展到慢性阻塞性肺病和百日咳疾病。我们发现pendrin表达增强esterase-inhaled小鼠的肺组织模仿慢性阻塞性肺病(7]。在COPD模型小鼠,pendrin表达在上皮细胞的顶端,在小鼠哮喘模型,其次是Muc5ac的表达和Muc5b。因为众所周知,表达式IL-17A和IL-13增强在慢性阻塞性肺病患者39- - - - - -41),这些细胞因子的组合可能导致慢性阻塞性肺病pendrin表达式。斯坎伦等,此外,已经证明百日咳博德特氏菌诱发pendrin IL-17A-dependent地表情,pendrin缺乏改善百日咳博德特氏菌全身炎症但不影响细菌殖民化(27]。
4所示。Pendrin的角色在气道表面液体(ASL)
气道表面覆盖着一层薄薄的液体,手语的组成和体积是至关重要的,以确保适当的黏膜纤毛的清除和维持先天防御系统(6]。美国手语的数量和成分是由液体分泌和吸收之间的平衡协调由几个离子通道和转运蛋白,包括pendrin。Nakagami等人,李等人表明,美国手语是增厚pendrin-deficient气管细胞刺激IL-13和聋患者携带pendrin突变,可能是因为离子运输特异表达的8,42]。这表明的可能性增厚手语可以增强粘液清除和改善气道功能,这可能至少部分解释periostin缺乏改善会表型。pendrin表达式过敏原后挑战的增加可能导致美国手语脱水,然后气道炎症和阻塞,从而加剧哮喘。
5。的病理作用Pendrin DUOX /过氧化物酶通路在哮喘
发现pendrin对气道炎症的发生很重要建议我们,阴离子经由pendrin,或其衍生品,可以在哮喘起着重要的作用。
在各种阴离子中,我们集中在视交叉上核−,因为pendrin可以传输视交叉上核−气道上皮细胞的细胞的顶面(22)和OSCN−来自视交叉上核−中起关键作用的先天防御粘膜表面(43- - - - - -45]。视交叉上核−是把从基础到气道上皮细胞的钠+我−同向转运(NIS) / SLC5A5然后积极运送到肺腔顶端雌性生殖道和pendrin(图1)。相比之下,DUOX1和/或DUOX2,氮氧化物/ DUOX家庭的成员,生成过氧化氢(H2O2)在肺腔。视交叉上核−和H2O2催化成OSCN−由三个peroxidases-myeloperoxidase (MPO),嗜酸性粒细胞过氧化物酶(EPX)和乳过氧化物酶表达在中性粒细胞,嗜酸性粒细胞,上皮细胞,分别在肺部组织。OSCN−有强大的抗菌性对抗细菌、病毒、真菌,如囊性纤维化患者中,慢性呼吸道感染的易感性增加雌性生殖道功能受损(比例46]。
我们检查是否OSCN的生产−导致炎症在气道上皮细胞(H292细胞)使用在体外OSCN−生产系统(9]。在此系统中,当我们说βd葡萄糖和葡萄糖氧化酶反应混合物(气态氧),H2O2是由气态氧生成使用吗β(图d葡萄糖和氧气2(一个))。当视交叉上核−法律流程外包和此外添加混合物,OSCN−通过视交叉上核的氧化生成了法律流程外包吗−与H2O2(图2 (b))。使用这个系统,我们比较了H的能力2O2和OSCN−激活NF -κB,发现OSCN−,但不是H2O2,激活NF -κB(图1)。激活NF -κB在气道上皮细胞是重要的生产的趋化因子和炎性细胞因子和粘附分子的表达促进2型免疫(47]。OSCN−被蛋白激酶A (PKA)感觉到PKA的二聚紧随其后。I型PKA的调节亚基通过二硫键的化学其次是增加底物的亲和力,表明氧化应激是改变了细胞内信号通过PKA,独立的阵营(48]。OSCN的氧化能力更强−相比,H2O2可能是由于排毒系统H的存在吗2O2,主要由过氧化氢酶在气道上皮细胞。此外,OSCN−在高剂量引起坏死的细胞,诱导释放IL-33,作用于几个免疫cells-ILC2,肥大细胞,嗜碱性粒细胞,嗜酸性粒细胞,TH2细胞加速2型炎症(49]。据我们所知,OSCN−是第一个离子激活NF -κB在上皮细胞。因此,我们已经表明,OSCN−pendrin / DUOX /过氧化物酶途径产生的潜在的哮喘的发病机制中起着重要的作用。
(一)
(b)
6。增强的OSCN−生产系统在哮喘
接下来我们检查是否OSCN−通过pendrin生产/ DUOX /过氧化物酶途径增强小鼠哮喘模型(表中1)[10]。pendrin的表达明显增强,见一个先前的研究(7),而雌性生殖道的表情没有变化。所有三个血红素氧化酵素的表达式(Mpo,Epx,法律流程外包)和过氧化物酶活动BALFs增强在allergen-challenged老鼠。此外,DUOX1的表达,但不是DUOX2 allergen-challenged老鼠也显著增强,符合以前的报告表明,il - 4可以诱导DUOX1 [50]。这些结果表明,OSCN−生产机械增强小鼠哮喘模型。然后,我们调查是否表达血红素氧化酵素的增强在轻度至中度哮喘患者的支气管组织好的控制吸入糖皮质激素(50]。过氧化物酶活动的表达水平法律流程外包没有明显增强。然而,一些病人显示明显高过氧化物酶活动,法律流程外包表达式。哮喘的临床严重程度、修改治疗这些病人,和/或异质性哮喘患者气道可能影响过氧化物酶表达,尽管准确因素引起的差异尚不清楚。表达不促红细胞生成素也不MPO被检测到。这些结果证实OSCN−生产通过pendrin / DUOX /过氧化物酶增强小鼠哮喘模型,可能在某些哮喘病人。
定义过氧化物酶在支气管哮喘的病理作用,我们应用血红素过氧化物酶抑制剂对哮喘小鼠模型(10]。我们检查了2-mercapto-1-methylimidazole的影响(甲硫咪唑)和6-propyl-2-thiouracil (PTU),代理,抑制氧化酵素和被广泛用作抗甲状腺药物针对甲状腺过氧化物酶。长甲巯基咪唑管理局(口头每天从一开始的敏感(0)天)完全抑制气道,气道高反应性inflammation-enhanced BALF炎症细胞的浸润,组织学变化(表2)。短管理局(从两天前开始的过敏原气道挑战(20天))抑制炎症少,但明显。另一个peroxidase-inhibiting抗甲腺的代理,PTU显示效果相似,但较弱的比甲巯基咪唑。这些结果强烈表明,血红素过氧化物酶活动的关键在这些模型小鼠过敏性气道炎症的发生。我们的结果显示符合一些报告显示,意外的发现抗甲状腺药物管理局提供有利影响哮喘患者(51,52),虽然有一个冲突的报告53]。的注意的是,在大多数患者,支气管哮喘是加剧了中断或减少了抗甲状腺药物51,52]。
接下来,我们检查过氧化物酶有助于过敏性气道炎症的发病居多的使用老鼠缺乏三种氧化物酶(Mpo,Epx,法律流程外包)[10]。Epx- - -法律流程外包缺乏的老鼠显示名义而不是与其控制的同胞相比显著降低气道高反应性的,而Mpo有缺陷的小鼠没有表现出气道高反应性的变化(表2)。此外,嗜酸性粒细胞浸润和T细胞是降低BALF中法律流程外包缺乏的老鼠,而没有改变的渗透Mpo——或者Epx有缺陷的老鼠。这些结果表明,三个氧化酵素是冗余的贡献在过敏性气道炎症的发生。然而,法律流程外包氧化物酶似乎占主导地位。
从这些结果来看,我们假设而OSCN−生产系统可能是一个天生的宿主防御机制在肺,OSCN这错误的生产−可能会导致肺部炎症,造成有害的影响,以应对气道过敏原挑衅。
7所示。临床应用的病理意义Pendrin / DUOX /过氧化物酶通路哮喘
研究结果显示OSCN的重要性−通过pendrin生产/ DUOX /过氧化物酶通路在哮喘OSCN表明所有的机械−生产系统可以看作是潜在的新的哮喘治疗靶点。值得注意的是,我们已经证实血红素过氧化物酶抑制剂广泛使用抗甲状腺药物是有效抑制过敏性气道炎症的老鼠。这表明,我们可以应用抗甲状腺药物为antiasthma药物药物重新定位。药物重新定位,寻找新的治疗适应症现有药物的过程,现在被视为一个更便宜的替代药物发现和开发(54,55]。抗甲状腺药物的使用可能是哮喘的药物重新定位的第一个例子。各种antiasthma药物针对2型免疫介质,如il - 4、IL-5, IL-13, TSLP, IL-33, CRTH2,现在正在开发(5]。然而,开发新型药物,特别是生物制剂,需要巨额投资的时间和金钱,和安全风险。此外,大多数哮喘正在开发的分子靶向药物是生物制剂,相对昂贵。显然,在哮喘药物重新定位可以减少哮喘病人的经济负担。
此外,OSCN的重要性−pendrin / DUOX /过氧化物酶通路的哮喘可以应用于吸烟者的气道炎症。等离子体视交叉上核−水平吸烟者比不吸烟者高出近三倍(130 - 140年μM和40 - 50μ米)(56,57]。众所周知,吸烟与贫穷相关控制,降低肺功能,增强皮质类固醇抗哮喘(58,59]。但是,没有有害的视交叉上核的影响−或OSCN−来自烟草的肺还没有被报道。调查结果显示OSCN可能参与−生产系统在吸烟如何影响哮喘或其他由吸烟引起的肺部疾病,给我们线索如何最好地治疗哮喘患者吸烟。
8。结论
后显示pendrin / SLC26A4 IL-13的下游分子,积极参与气道过敏性炎症的发病机制,我们研究了底层这发生的分子机制。因此,我们演示了OSCN的重要性−通过pendrin生产/ DUOX /过氧化物酶在过敏性气道炎症通路。最重要临床意义的发现是,这表明使用抗甲状腺药物的可能性,pan-heme过氧化物酶抑制剂,重新定位antiasthma药物。如果我们可以将这一策略应用于哮喘病人,应该大大减少哮喘的治疗费用。
的利益冲突
作者宣称没有利益与本研究相关的竞争。
确认
作者感谢Dovie r·威利博士的评论手稿。作者还要感谢他们的同事和合作者对导致了现在的工作如下:Isao Nakao Sachiko Kanaji,太丰田章一郎,Kazuhiko Arima、白石浩,认户田拓夫,Hiroki吉田(传奇医学院),Noriko Yuyama (Genox研究Inc .), Katsutoshi Nakayama(东北大学),难以Hoshino(久留米大学),Hiroyuki田中(岐阜医药大学),Yutaka中村(岩手医科大学医学院),Yasuaki Aratani(横滨市立大学),茂Kakuta, Yoichiro Iwakura(东京大学)和詹姆斯·j·李(亚利桑那州梅奥诊所)。