Астма — это хроническое заболевание, которым страдают более 25 миллионов человек только в Соединенных Штатах, в том числе более 7 миллионов детей. Ежегодно на него приходится около 2 миллионов посещений скорой помощи и около 1.5 миллионов пациенто-дней стационарного лечения в стационаре.
«Только 60 процентов пациентов с астмой имеют воспалительный или аллергический компонент астмы, и 40 процентов пациентов с астмой хрипят отчасти из-за внутренних аномалий эпителиальных и гладкомышечных клеток», — сказал соавтор Эдвард Э. Морриси, доктор философии, профессор клеточной биологии и биологии развития и директор Пенсильванского центра биологии легких в Пенсильвании.
«Любопытно, что эти пациенты невосприимчивы к современным методам лечения», — сказал соавтор исследования Рейнольд А. Панеттьери младший., Доктор медицины, проректор по трансляционной медицине и науке в Rutgers. "Существует реальная необходимость понять невоспалительные аспекты астмы, и с этим исследованием мы приближаемся к этому пониманию."
Исследование, опубликованное в текущем выпуске Journal of Clinical Investigation, является результатом сотрудничества лаборатории Морриси и лаборатории Панеттьери, специалиста по астме, который прошлым летом перешел из Penn Medicine в Rutgers Biomedical and Health Sciences.
Подсказки от бокаловидных клеток
Открытие возможного нового пути развития астмы стало результатом фундаментальных исследований Морриси и его коллег по биологии развития эпителиального слоя клеток, выстилающих легкое и дыхательные пути.
В экспериментах, опубликованных в 2012 году, они обнаружили, что факторы транскрипции Foxp1 и Foxp4, которые могут включать или выключать определенные генные программы, обычно подавляют выработку секретирующих слизь бокаловидных клеток в эпителии легких мышей. Генетическая инактивация этих двух факторов транскрипции привела к аномальной дифференцировке бокаловидных клеток.
Повышенная дифференцировка бокаловидных клеток в дыхательных путях является признаком астмы. Исходя из этого, лаборатория Морриси исследовала, вызывает ли потеря генов Foxp1 / 4, особенно в эпителии дыхательных путей легких, состояние, подобное астме, у мышей.
В первоначальной серии экспериментов команда, в которую входил первый автор Шанру Ли, штатный научный сотрудник лаборатории Морриси, изучала физиологическую функцию дыхательных путей, лишенных генов Foxp1 / 4, у взрослых мышей. «Мы обнаружили, что дыхательные пути этих мышей действительно вели себя как дыхательные пути человека, страдающего астмой», — сказал Морриси.
Классическим признаком астмы является гиперчувствительность дыхательных путей (AHR) — аномально сильная тенденция гладкомышечных клеток, лежащих в основе эпителия дыхательных путей, сокращаться и вызывать частичное закрытие дыхательных путей.
Команда обнаружила, что мыши, у которых отсутствуют дыхательные пути Foxp1 / 4, демонстрировали значительно более высокие признаки AHR по сравнению с контрольными мышами, особенно при экспериментальном воздействии раздражителей дыхательных путей. «При высоких дозах заражения мыши с нокаутом Foxp1 / 4 в основном начинали умирать, потому что их дыхательные пути закрывались», — сказал Морриси. Интересно, что слизистая оболочка дыхательных путей у мышей с нокаутом Foxp1 / 4 не проявляла признаков воспаления, которое обычно ассоциируется с астмой и нацелено на стандартные лекарства от астмы.
Нейропептид Y — ключ к невоспалительной астме?
Чтобы выяснить основную причину гиперчувствительности дыхательных путей этих мышей, исследователи изучили паттерны экспрессии генов пораженных эпителиальных клеток дыхательных путей, сравнив их с паттернами, наблюдаемыми у контрольных мышей, которые имеют нормальный уровень Foxp1 / 4. выражение.
«Поскольку в эпителии дыхательных путей этих мутантных мышей отсутствовали только гены Foxp1 / 4, мы предположили, что эпителиальные клетки мутантов секретировали фактор, который заставлял нижележащие гладкомышечные клетки сокращаться. Поэтому мы специально искали изменения экспрессии в генах, кодирующих молекулы, которые могут секретироваться эпителиальными клетками и приниматься клетками гладких мышц дыхательных путей », — сказал Морриси.
Одна такая молекула, нейропептид Y (NPY), выделялась намного лучше остальных — она не экспрессировалась в эпителиальных клетках контрольных дыхательных путей, но экспрессировалась на высоком уровне в эпителии дыхательных путей мышей с нокаутом.
NPY — это сигнальная молекула и нейромедиатор, в изобилии встречающийся в нервной системе и некоторых других частях тела. Его многие биологические действия включают стимуляцию сужения кровеносных сосудов. Предыдущие исследования связывали варианты его гена с повышенным риском астмы, но не известно, что NPY имеет прямую роль в развитии астмы.
Команда Морриси показала, что NPY играет важную роль в лечении астмы, удалив ген NPY и одновременно удалив гены Foxp1 / 4. Это привело к тому, что гиперчувствительность дыхательных путей, наблюдаемая у Foxp1 / 4-мутантных мышей, вернулась к почти нормальным уровням.
Важно отметить, что, поскольку изменения в экспрессии NPY были связаны с астмой у людей, исследователи проверили, может ли NPY напрямую вызывать гиперчувствительность дыхательных путей в ткани легких человека. Эти эксперименты показали, что когда нормальные дыхательные пути легких человека подвергаются действию NPY, они проявляют заметное повышение гиперчувствительности к метахолиновому провокации. Во всех этих экспериментах воспалительная реакция оставалась
без изменений, что указывает на то, что NPY не вызывает изменений иммунного ответа, которые могут вызвать астматические симптомы.
«Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что NPY может вызывать гиперчувствительность дыхательных путей в легких человека и может быть причинным механизмом астмы у человека», — сказал Морриси.
«Кроме того, молекулярные механизмы, опосредующие гиперреактивность дыхательных путей, происходят на уровне гладких мышц, где NPY усиливает сокращение гладких мышц у всех медиаторов путем активации Rho-киназы, основной сигнальной молекулы в пути бронхостеноза», — сказал Панеттьери. Это также предполагает, что подавление активности NPY у людей, страдающих астмой, возможно, с помощью ингаляционных лекарств, может помочь миллионам пациентов, которые получают незначительную пользу или не получают никакой пользы от текущих методов лечения астмы.
Фармацевтические компании уже разработали соединения, которые блокируют передачу сигналов NPY для других приложений, таких как ожирение и гипертония. «Было бы целесообразно проверить, помогут ли эти ингибиторы NPY пациентам с астмой, учитывая результаты наших исследований», — сказал Морриси.
В дополнение к настройке тестов лекарств, блокирующих NPY, он и его команда надеются воспроизвести результаты своих исследований на мышиной модели на более крупной животной модели астмы, которая лучше имитирует человеческое заболевание.