Effect van omgevingsirritantia op de luchtwegbarrière en luchtweghyperreactiveit

Wanneer we inademen worden we continu blootgesteld aan stoffen, zoals gassen, chemicaliën en partikels, in de lucht. De eerste lijn van cellen die in contact komen met deze ingeademde lucht, zijn de cellen van het luchtwegepitheel. Luchtwegepitheelcellen zijn nauw met elkaar verbonden en vormen zo een barrière, opdat ingeademde (schadelijke) stoffen het lichaam niet binnendringen. Deze barrière is van cruciaal belang ter bescherming van de gastheer, en het belang van een intacte barrière werd reeds aangetoond in luchtwegaandoeningen zoals astma, rhinitis en chronisch obstructief longlijden waar dysfunctie van de luchtwegbarrière plaatsvindt.

Inhalatie van irriterende stoffen induceert een tijdelijke inflammatoire respons die bestaat uit hoesten, piepende ademhaling en verhoogde mucusproductie, het aanhouden van deze symptomen is indicatief voor irritant-geïnduceerd astma (IIA). IIA is een vorm van astma die optreedt na blootstelling aan irritantia, zoals chlorine, formaldehyde, sterke zuren en rook, zonder ontwikkeling van een immunologische sensitisatie naar de causale stof. IIA kan optreden na een acute blootstelling aan hoge concentraties van irriterende stoffen, zoals tijdens een explosie, brand of accidentele lek. Maar ook continue blootstelling aan lagere concentraties van irriterende stoffen, zoals bijvoorbeeld blootstelling van chlorine aan professionele zwemmers, redders of schoonmaakpersoneel, kan leiden tot IIA. Momenteel zijn de mechanismen die leiden tot IIA maar beperkt gekend.

De algemene hypothese in dit werk is dat omgevingsirritantia de luchtwegbarrière kunnen verstoren en dat dit bijdraagt tot de ontwikkeling van luchtwegovergevoeligheid zoals in IIA. Hiervoor evalueerden we eerst het effect van verschillende typen irritantia op de luchtwegbarrière op een in vitro niveau. In een tweede deel, testen we in muizen de hypothese dat door schade aan het luchtwegepitheel inhalatie van lage concentraties irritantia, kan leiden tot luchtwegovergevoeligheid.

In hoofdstuk 3, werd een co-cultuur die de luchtwegbarrière nabootst blootgesteld aan verschillende typen omgevingsirritantia. Deze co-cultuur bestond uit bronchiale epitheelcellen (16HBE) en endotheelcellen (HLMVEC) die gezaaid werden aan weerszijden van een permeabel membraan, en monocyten (THP-1) die apicaal werden toegevoegd. Hier vonden we dat de nanopartikels grafeen en grafeen oxide een onmiddellijk nadelig effect op de luchtwegbarrière hadden. Hypochloriet veroorzaakte slechts na 24 uur een nadelig effect op de luchtwegbarrière en ammonium- en natriumpersulfaat veranderden de barrièrefunctie niet. Op basis van immunofluorescente kleuring observeerden we na blootstelling aan grafeen en grafeen oxide, een verminderde aaneenschakeling van de ‘tight junctions’ in de epitheelcellen. Gebruik makend van fosfoproteomics stelden we vast dat door blootstelling aan grafeen en grafeen oxide, proteïnen in de ‘tight junction’ en ‘adherens junction’ pathways een andere graad van fosforylatie kregen, wat een verklaring geeft voor de geobserveerde daling in barrièrefunctie door blootstelling aan grafeen en grafeen oxide.  

Vervolgens, evalueerden we of mast cellen een invloed hebben op de respons van het luchtwegepitheel na blootstelling aan irritantia (hoofdstuk 4). Hiervoor werden bronchiale epitheelcellen (16HBE) gezaaid op een permeabel membraan in af- of aanwezigheid van mastcellen (HMC-1) aan de basolaterale zijde of aan de apicale zijde, en blootgesteld aan verschillende typen van irritantia. Ongeacht de samenstelling van de celcultuur, hadden grafeen en grafeen oxide een onmiddellijk en persistent negatief effect op de luchtwegbarrière, terwijl hypochloriet en diesel partikels slechts een tijdelijke daling in de barrièrefunctie veroorzaakten. Na blootstelling aan de irriterende stoffen zetten de bronchiale epitheelcellen de ‘danger’ signalen TSLP, IL-33 or IL-1α niet vrij en werden de mast cellen niet geactiveerd. Door de inactieve (of immature) staat van de HMC-1 cellen, werd in bi-culturen geen additionele respons van het luchtwegepitheel gevonden na blootstelling aan irritantia.  

In de eerste in vivo studie van deze thesis combineerden we het muismodel van naftaleen-geïnduceerde luchtwegschade (na een herstelperiode) met een enkelvoudige intranasale blootstelling aan het veelvoorkomend desinfectans hypochloriet (hoofdstuk 5). We toonden aan dat naftaleen-geïnduceerde barrière verstoring leidde tot een tijdelijke vergroting van de longen en luchtwegen, en tot een permanente toename in de functionele longvolumes. De challenge met hypochloriet induceerde een sensorische irritante ademhalingsrespons, alsook ontwikkeling van bronchiale hyperreactiviteit en pulmonale inflammatie. De toename in luchtwegpermeabiliteit en epitheliale schade na blootstelling aan hypochloriet gaf aan dat door de barrière verstoring het epitheel meer gevoelig is voor het irritant effect van hypochloriet. Bovendien leidde de naftaleen-geïnduceerde epitheeldysfunctie tot rekrutering van monocyt-afgeleide dendritische cellen naar de long en verhoogde het extra insult met hypochloriet de populatie van type 2 aangeboren lymfoïde cellen. Hiermee bevestigden we onze hypothese dat door verstoring van de luchtwegbarrière, met partieel herstel, muizen meer gevoelig werden voor een blootstelling aan hypochloriet.

In hoofdstuk 6, implementeerden we een meer drastisch behandelingsprotocol, waarin de muizen tweemaal werden behandeld met naftaleen om de barrière te verstoren, gevolgd door herhaaldelijke endotracheale instillaties met hypochloriet. Ook in dit model vergrootten de functionele longvolumes van muizen behandeld met naftaleen. In combinatie met de endotracheale instillaties, leidde de herhaaldelijke barrièreverstoring tot een niet-specifieke bronchiale hyperreactiviteit. Verhoging van het aantal neutrofielen in de long en epitheelschade op histologische coupes toonde aan dat op het einde van het experiment de muizen niet volledig gerecupereerd waren van de herhaaldelijke barrièreverstoring. Hypochloriet blootstelling versterkte de luchtwegresponsen en epitheelschade niet, maar leidde wel tot een toename in eosinofielen in de long. Gebruik makend van dit meer drastisch behandelingsprotocol werd geen specifieke gevoeligheid naar hypochloriet ontwikkeld, maar werden de muizen wel meer gevoelig aan luchtwegblootstelling in het algemeen.

Ter conclusie, in deze thesis toonden we aan dat verschillende typen omgevingsirritantia verschillende effecten hebben op de luchtwegbarrière in vitro en dat verstoring van de luchtwegbarrière kan leiden tot de ontwikkeling van luchtwegovergevoeligheid in muizen. Door deze mechanismen te bestuderen, werd aangetoond dat luchtwegbarrière en de interactie hiervan met irritantia, belangrijke aspecten zijn in de ontwikkeling van IIA.