Μελέτη της παθογένειας των ιδιοπαθών διαμέσων πνευμονιών με μικροσυστοιχίες γενετικού υλικού (microarrays)

Abstract

Idiopathic interstitial pneumonias (IIPs) are a heterogeneous group of diseases comprising of seven distinct clinical and pathological entities. Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and cryptogenic organizing pneumonia (COP) represent two of the most prevalent members of the disease group with major differences in pathogenesis, clinical course and prognosis. The incidence of IPF is estimated at 6.8-16.3 cases per 100.000 per year in the United States, and the mean survival from the time of diagnosis is 3-5 yr regardless of treatment. IPF is a refractory and lethal IIP characterized by fibroblast proliferation, extracellular matrix deposition and progressive lung scarring, comprising the histopathologic pattern of usual interstitial pneumonia (UIP). In UIP, areas of accumulated fibroblasts and myofibroblasts mainly distributed in subepithelial areas of the intersititium, termed fibroblastic foci represent the pathogenetic hallmark of fibrogenesis. On the other hand, COP, is a patchy process involving alveolar ducts and alveoli, characterized by distinct fibromyxoid lesions called Masson bodies that are susceptible to even complete reversal, in contrast to fibroblastic foci that represent collections of highly proliferative fibroblastic-like cells resistant to apoptosis. These lesions may reflect differential wound repair responses to lung injury; the active fibrosis of IPF mirrors the abnormal wound repair in response to multiple sites of ongoing alveolar epithelial injury, involving increased activity and possibly exaggerated responses by a spectrum of proinflammatory and profibrogenic factors whereas that of COP may reflect normal wound repair response to pulmonary injury. In IPF, due to the lack of a more effective alternative, the fundamental therapeutic approach has been use of corticosteroids, alone or in combination with other immunosuppressive agents; however, this has little impact on long-term survival and is effective only in a minority of affected individuals. While the treatment of IPF remains elusive, COP presents with excellent prognosis and corticosteroid treatment responsiveness. Several studies have attributed these differences to distinct pathogenetic characteristics reflected by regional differences in apoptotic and angiogenic profiles. In an attempt to elucidate pathogenetic differences between these two disease entities and delineate potential mechanisms explaining distinct regional apoptotic and angiogenic profiles we investigated the expression of HIF-1a and telomerase in experimental models of pulmonary fibrosis and in patients with IPF and COP. A. HIF-1a in the pathogenesis of pulmonary fibrosis HIF-1a is recognized as a master regulator of hypoxic signaling by activating gene transcription of genes encoding proteins that mediate the cellular adaptive response under hypoxic conditions. Hypoxia, the lack of oxygen, can modulate alveolar epithelial cell homeostasis by promoting significant and adverse effects on epithelial function, including VEGF and surfactant protein production, disruption of cytoskeleton integrity, and the triggering of apoptosis through induction of p53 expression. Alveolar hypoxia can also promote macrophage recruitment and enhanced expression of inflammatory mediators. Thus, hypoxia could represent a potential fibrotic stimulus through induction of epithelial apoptosis, angiogenesis and modulation of the inflammatory response. With the use of DNA microarrays we performed extensive expression profiling of disease progression in an animal model of the disease, compared our data with all publicly available expression profiles both from human patients and animal models and identified HIF-1a as one of the most deregulated genes. The mRNA levels of HIF-1a, as well as of HIF-1a target gene vegfa, were found upregulated upon administration of bleomycin and the development of pulmonary inflammation and fibrosis. Immunohistochemistry for HIF-1a confirmed overexpression of HIF-1a localizing it mainly at the epithelium. Notably, HIF-1a (and HIF-1 target gene vegfa) overexpression was observed early in the pathologic cascade, before any deterioration of lung architecture and consequent gas exchange problems, indicating an early role for HIF-1 in the development of the modeled disease. Since the bleomycin animal model is not fully representative of IPF due to its self limiting nature and rapidity of its development, we then investigated HIF-1a immunolocalization in lung samples from patients with IPF/UIP and COP/OP, two histopathologic patterns of pulmonary fibrosis with different clinical course and prognosis. We used the pioneering technology of tissue microarrays, which allowed us the simultaneous analysis of up to 250 samples in a single experiment under highly standardized conditions. ...

Οι ιδιοπαθείς διάμεσες πνευμονίες (IIPs) αποτελούν μια ετερογενή ομάδα νοσημάτων αποτελούμενες από επτά διακριτές κλινικές και παθολογοανατομικές οντότητες. Η ιδιοπαθής πνευμονική ίνωση (IPF) και η κρυπτογενής οργανοποιός πνευμονία (COP) είναι δύο από τα πιο συχνά απαντώμενα στην κλινική πράξη νοσήματα αυτής της κατηγορίας. Η IPF είναι μια περιοριστική και θανατηφορός διάμεση πνευμονία που χαρακτηρίζεται από πολλαπλασιασμό των ινοβλαστών, εναπόθεση εξωκυττάριας θεμέλιας ουσίας που συνθέτουν το παθολογοανατομικό πρότυπο της συνήθους διάμεσης πνευμονίας (UIP). Η επίπτωση της IPF κυμαίνεται περίπου σε 6.8-16.3 περιπτώσεις ανά 100.000 ανά χρόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής ενώ ο μέσος χρόνος επιβίωσης από τη στιγμή της διάγνωσης είναι 3-5 έτη ανεξαρτήτου θεραπείας. Στην UIP, συναθροίσεις ινοβλαστών και μυοϊνοβλαστών εντοπιζόμενες κυρίως στις υποϋπεζωκοτικές ζώνες του διάμεσου χώρου, που ονομάζονται ινοβλαστικές εστίες (fibroblastic foci), αποτελούν το παθογενετικό ορόσημο και ένα από τα κριτήρια για την διάγνωση της νόσου. Aπό την άλλη μεριά, η κρυπτογενής οργανοποιός πνευμονία (COP) αποτελεί μια διάχυτη ινωτική διεργασία που προσβάλλει τους κυψελιδικούς σάκους και τις κυψελίδες και χαρακτηρίζεται από διακριτές ινομυξωματώδεις βλάβες, που λέγονται σωμάτια Masson (Masson bodies), και τα οποία σε αντίθεση με τις ινοβλαστικές εστίες της IPF υπόκεινται πλήρη ίαση και υποστροφή. Οι διεργασίες αυτές μπορεί να αντιπροσωπεύουν διαφορετικές ανταποκρίσεις του κυψελιδικού επιθηλίου σε βλαπτικά ερεθίσματα; Οι εστίες ενεργού ίνωσης της IPF αντανακλούν παθολογική ανταπόκριση του επιθηλίου σε επαναλαμβανόμενα βλαπτικά ερεθίσματα και η παθογένεια τους περιλαμβάνει την ενεργοποίηση μιας σειράς προ-φλεγμονωδών και προ-ινωτικών παραγόντων, ενώ αντίθετα εκείνες της COP (Masson bodies) πιθανόν να αντιπροσωπεύουν φυσιολογική απόκριση του επιθηλίου σε ένα βλαπτικό ερέθισμα. Στην IPF λόγω της έλλειψης αποτελεσματικής θεραπείας, η τρέχουσα θεραπευτική στρατηγική περιλαμβάνει τη χρήση κορτικοστεροειδών σε συνδυασμό με ανοσοκατασταλτικά και ανοσοτροποιητικά. Ωστόσο, όλα αυτά έχουν περιορισμένο αποτέλεσμα στην μακροχρόνια επιβίωση των ασθενών με IPF και είναι ευεργετικά στη μειοψηφία τους. Αντίθετα με την IPF, η COP παρουσιάζεται με πολύ καλή πρόγνωση, κλινική πορεία και ανταπόκριση στη θεραπεία με κορτικοστεροειδή. Αρκετές μελέτες απέδωσαν τις διαφορές αυτές σε σημαντικές παθογενετικές διαφορές αντανακλώμενες σε διακριτά εκφραστικά πρότυπα απόπτωσης και αγγειογένεσης. Σε μια προσπάθεια να αποσαφηνίσουμε τις παθογενετικές αυτές διαφορές και να σχεδιάσουμε μηχανισμούς που να εξηγούν τα διακριτά αποπτωτικά και αγγειογενετικά εκφραστικά πρότυπα, μελετήσαμε την έκφραση του HIF-1a και της τελομεράσης στο πειραματικό μοντέλο της πνευμονικής ίνωσης αλλά και σε δείγματα ασθενών με IPF και COP. Α. Ο ρόλος του HIF-1a στην παθογένεια της πνευμονικής ίνωσης Ο HIF-1a αναγνωρίζεται ως ο κυρίαρχος ρυθμιστικός παράγοντας της κυτταρικής υποξικής σήμανσης επάγοντας τη μεταγραφή γονιδίων στόχων τα οποία κωδικοποιούν πρωτεΐνες που καθορίζουν την κυτταρική απάντηση στην υποξία. H υποξία, η έλλειψη δηλαδή οξυγόνου, μπορεί να τροποποιήσει την κυτταρική ομοιόσταση του κυψελιδικού επιθηλίου με την επαγωγή σημαντικών προστατευτικών αλλά και ανεπιθύμητων-βλαβερών λειτουργιών της επιθηλιακής λειτουργίας όπως η έκφραση του VEGF και η παραγωγή επιφανειοδραστικού παράγοντα (surfactant factor) καθώς και η καταστροφή της ακεραιότητας του κυτταροσκελετού και η πυροδότηση της απόπτωσης. Η κυψελιδική υποξία μπορεί επίσης να προάγει τη συστράτευση μακροφάγων και άλλων φλεγμονωδών κυττάρων και να οδηγήσει στην αυξημένη παραγωγή φλεγμονωδών μεσολαβητών. Για τους παραπάνω λόγους η υποξία δύναται να αντιπροσωπεύει ένα ινωτικό ερέθισμα μέσω επαγωγής της επιθηλιακής απόπτωσης και ρύθμισης της αγγειογένεσης και της φλεγμονώδους απάντησης. Mε τη χρήση μικροσυστοιχιών γενετικού υλικού (DNA microarrays) πραγματοποιήσαμε συγκριτική μελέτη μοριακής αποτύπωσης της εξέλιξης της νόσου στο πειραματικό μοντέλο της πνευμονικής ίνωσης και αναδείξαμε τον επαγόμενο από την υποξία παράγοντα (HIF-1a) ως ένα από τα γονίδια με τις μεγαλύτερες διαταραχές στην έκφραση τους. Τα επίπεδα mRNA του HIF-1a καθώς και γονιδίων στόχων του συμπεριλαμβανομένων του vegfa, βρέθηκαν αυξημένα μετά τη χορήγηση μπλεομυκίνης και την ανάπτυξη πνευμονικής φλεγμονής και ίνωσης. Η ανοσοϊστοχημική μελέτη του HIF-1a αποκάλυψε υπερέκφραση του παράγοντα κυρίως στο κυψελιδικό επιθήλιο των ποντικιών. ...