Immmunmechanizmusok a krónikus obstruktiv tüdőbetegség (COPD) kórfejlődésében Böszörményi Nagy György Országos Korányi Tbc és Pulmonológiai Intézet, Budapest bngy@koranyi.hu Budapest 2012. december 1.

a „ holland hipotézis ” a „brit hipotézis” krónikus dohányzás légúti hiperszekréció, köhögés, mély légúti bakteriális kolinizáció Stuart-Harris CH (1953) Brumfitt W és mtsai (1957) Scadding JG (1959) a dohányzás okozta nyákmirigy hiperplázia krónikus légúti infekció következményes bronchiális obstrukció Fletcher CM, Tinker CM (1961) a „brit hipotézis” krónikus nem-specifikus tüdőbetegség Orie NGM, Sluiter HJ, de Vries K és mtsai (1961) a „ holland hipotézis ” az asztma, idült bronchitis és emfizéma ugyanazon kóros légúti válasz ( bronchiális hyperreaktivitás ?) variánsai Rijcken B, Schauten JP, Xu X és mtsai. (1995) Tashkin DP, Altose MD, Connett JE és mtsai.(1996)

obstrukció a periférián (a kis légútakban) hiperszekréció a nagy légútakban

Lung Health Study a COPD súlyos eseteiben a dohányzás Anthonisen N.R. és mtsai. JAMA 1994: 272: 1497-1505. a dohányzást abbahagyók a COPD súlyos eseteiben a dohányzás felfüggesztésének hatása szerény (15-20 csomag/év ?) hörgtágitó után mért FEV1(L) folyamatosan dohányzók a megfigyelés években

A FEV1 életkorral összefüggő csökkenése „érzékeny” és „nem-érzékeny” dohányzók csoportjaiban Curtis JL, Freeman CM, Hogg JC: Proc Am Thorac Soc 2007: 4: 512-521. dohányosok, akiknél nem fejlődik ki COPD veleszületett immunválasz COPD remodeling (a 25 éves korban mért érték %-ában) FEV1 adaptiv immunválasz mélylégúti bakteriális kolonizáció ? perzisztáló virusinfekció ? autoantigének ? életkor (évek)

A dohányzók 10-15%-ánál fokozott gyulladásos reakció ≈ 50% fokozott gyulladásos válasz alacsony HDAC2 ? virusinfekció ? gén-polimorfizmusok ? gyulladás nem-dohányzók nem obstruktiv enyhe súlyos exacerbáció dohányzók COPD COPD neurofil sejtek makrofágok citokinek proteázok

Kislégúti obstrukció COPD-ben Hogg JC, Chu F, Utokaparch S és mtsai: N Engl J Med 2004: 350: 2645-2653. a bronchiolus elzáródása (mukózus glycoprotein és gyulladásos exsudatum) fibrózis alveoláris falpusztulás, rugalmasságcsökkenés limfoid follikulusok a broncgusfal megvastagodása kehelysejtek

A limfoid follikulusok kialakulása környezeti kárositó hatások (lipopoliszaharidák, dohányfüst, baktériumok) következményeként krónikus obstruktiv tüdőbetegségben (COPD) Brusselle GG, Demoor T, Bracke KR és mtsai: Lymphoid follicles in (very) severe COPD – benefical or harmaful ? Eur Respir J 2009: 34: 219-230. baktériumok alvelusok légúti epithelium autoantigén plazmasejt éretlen dendrikus sejtek extracelluláris matrix antitest elasztin-törmelék kapilláris limfoid follikulus

A krónikus dohányfüst-expozició következtében kialakuló légúti gyulladás Chung KF és IM Adcock után (Eur Resp J 2008: 31: 1334-1356) dohányfüst (belégzett partikulumok és gázok) makrofág neutrofil elasztáz neutrofil apoptosis baktériumok mucin makrofág epithelium fibrogén cytokinek dendritikus sejt anti-elasztin antitest anti-epithelium antitest neutrofil sejt oxidánsok fibroblaszt proliferáció serin proteázok neutrofil toborzás (kemotaxis) B sejt eozinofil gyulladás/remodelling nyák-hiperszekréció légúti obstrukció légúti simaizom szisztémás gyulladás

Cosio MG, Saetta M, Agusti A: N Engl J Med 2009: 360: 2445-54. a COPD kórfejlődése lépcső: a dohányfüst elsődleges, a légúti nyálkahártyát kárositó hatása Cosio MG, Saetta M, Agusti A: N Engl J Med 2009: 360: 2445-54. extracelluláris matrix-károsodás dohányfüst veleszületett immunválasz éretlen dendritikus sejtek apoptosis necrosis epitheliális, endotheliális sejtek a szövetkárosodás autoantigén hatás szövet- károsodás elastin

a szervezetet veszélyeztető, idegen vagy saját antigénhatás Az antigének csoportositásának saját/idegen (self/nonself – 1959), infekciós idegen (infectious nonself – 1989) és a szervezetet veszélyeztető, idegen vagy saját antigénhatás (danger – 1994) modelljei Matzinger P: The danger model – a renewed sense of self. Science 2002: 296: 301-305.

Cosio MG, Saetta M, Agusti A: N Engl J Med 2009: 360: 2445-54. a COPD kórfejlődése 3. lépcső: az immuntolerancia/immunszabályozás kudarca adaptiv (autoimmun) válaszreakció Cosio MG, Saetta M, Agusti A: N Engl J Med 2009: 360: 2445-54. GOLD 2/3 komplement depozició veleszületett immunsejtek apoptosis immunkomplex- depozició proteinázok ROS, NO antigének szövetpusztulás perzisztáló gyulladás COPD

a COPD kórfejlődése 2. lépcső: dendritikus sejtek T-sejt stimuláció Cosio MG, Saetta M, Agusti A: N Engl J Med 2009: 360: 2445-54. GOLD 1,2 nyirokcsomó tüdő

Az öregedés és a COPD kialakulásának molekuláris mechanizmusai Ito K , Barnes PJ :COPD as a disease of accelerated lung aging Chest 2009: 135: 173-180. környezeti oxidativ stressz (ROS) endogen oxidativ stressz (ROS) DNS-károsodás kináz-aktiváció (MAPK, PI13K NFκB aktiváció a fehérjék oxidációja az öregedést akadályozó molekulák csökkenése (sirtuin,HDAC) telomer-rövidülés gyulladás szerkezeti változás magas karcinóma-kockázat sejthalál normális, szenilis tüdő gyorsan öregedő, COPD-tüdő

Emberi kromoszómák (szürke) a végükön telomer „sapkákkal” (fehér)

A telomer-hossz különbsége fehér vérsejtekben egészséges kontroll- és krónikus obstruktiv tüdőbetegek (COPD) csoportjaiban Houben JMJ, Mercken EM, Ketelslegers HB és mtsai: Telomere shortening in chronic obstructive pulmonary disease. Resp Medicine 2009: 103: 230-236. p < 0,001 egészséges COPD n= 20 n=102

COPD fenotipusok emfizéma kis légúti betegség gyakran exacerbálódók krónikus bronchitis emfizéma kis légúti betegség gyakran exacerbálódók szisztémás gyulladás tüneteit mutatók gyors légúti funkcióvesztők asztmás „légúti dinamika” ……………………………………. újak

a COPD és társbetegségei (szisztémás gyulladásos szindróma)

A diabetes, hipertonia és cardiovascularis betegségek kialakulásának kockázata a COPD különböző súlyosságú csoportjaiban (n= 20 296) Maninno DM, Thorn D, Swensen A és mtsai: Eur Respir J 2008: 32: 962-969. nincs társbetegség egy „ kettő „ három kockázati hányados GOLD GOLD GOLD R GOLD normális 3/4 2 1 0 légúti funkció

COPD A krónikus obstruktiv tüdőbetegség (COPD) szisztémás hatásai és társbetegségei PJ Barnes és BR Celli után (Eur Respir J 2009: 33: 1165-1185) tüdőrák COPD perifériás pulmonális gyulladás spill over akut fázis proteinek CRP szérum amyloid A surfactant ptrotein D vázizomzat-gyengeség cachexia szisztémás gyulladás IL-6, IL-1β, TNF-α szisztémás gyulladás IL-6, IL-1β, TNF-α diabetes, metabolikus szindróma ischaemiás szivbetegség sziv- elégtelenség normocytás anaemia osteoporosis depresszió

A krónikus obstruktiv tüdőbetegség (COPD) szisztémás hatásai és társbetegségei, a krónikus gyulladásos szindróma terápiás lehetőségei PJ Barnes és BR Celli után (Eur Respir J 2009: 33: 1165-1185) inhalációs corticosteroid elhúzódó hatástartamú β2-agonista, és/vagy antikolinerg hörgtágitó theophyllin PDE4-gátlók volumenredukciós műtét (LVRS) statinok ACE-gátlók PPAR-agonisták beta-receptor blokkolók sirtuitin specifikus aktivátorok tüdőrák perifériás pulmonális gyulladás túlcsorgás („spill-over”) akut fázis proteinek CRP szérum amyloid A surfactant ptrotein D vázizomzat-gyengeség cachexia szisztémás gyulladás IL-6, IL-1β, TNF-α szisztémás gyulladás IL-6, IL-1β, TNF-α sziv- elégtelenség diabetes, metabolikus szindróma ischaemiás szivbetegség normocytás anaemia osteoporosis depresszió

COPD FEV1 diagnosztika, súlyossági besorolás ∆ FEV1/év, légúti hiperreaktivitás, az akut exacerbációk gyakorisága aktivitás „jelenleg nincs módszerünk arra, hogy egy igéretes hatóanyagot sikerrel kipróbáljunk a COPD korai, gyors légúti funkcióvesztést mutató fázisában” „there are no tools for evaluating the impact of a promising therapeutic candidate on disease activity in early-phase drug trials” Vestbo J: Am J Respir Crit Care Med 2010: 182: 863-869.

COPD-biomarker kutatás The evaluation of COPD longitudinally to identify predictive surrogate end-points (ECLIPSE) Vestbo J , Anderson W, Coxson HO, Crim C, Dawber F, Edwards L, Hagan G, Knobil K, Lomas DA, MacNee W, Silverman EK és Tal-Singer L: Eur Respir J 2008: 31: 869-873. *** Subpopulations and intermediate outcome measures in COPD Study (SPIROMICS) National Heart, Lung and Blood Institute – University of North Carolina at Chapel Hill www.fbo.gov/index?s=opportunityandmode=formandtap=coreandid=fbab23d004f33852a1942ba84e6b42a7and_cview=0 COPDgene project 21 klinikai központ az USA-ban www.copdgene.org

The Evaluation of COPD Longitudinally to Identify Predictive Surrogate End-points (ECLIPSE) Vestbo J , Anderson W, Coxson HO, Crim C, Dawber F, Edwards L, Hagan G, Knobil K, Lomas DA, MacNee W, Silverman EK és Tal-Singer L: Eur Respir J 2008: 31: 869-873. 2200 COPD-ben (GOLD II-IV) szenvedő beteg, 3 éven át tartó, ellenőrzött megfigyelése acélból, hogy a helyettesitő végpontok (markerek) prediktiv értékét meghatározzuk a teljes betegcsoportban gyűjtött adatok - légzésfunkció (spirometria, FOT) - HRCT - életminőség (SGRQ-C, MRC dyspnoea scale, CES depressio scale, FACIT fatigue score) - 6 perces séta - gyulladásos biomarkerek a vérben (CRP, TNF-, IL-6, IL-8, CC-16, SPD) - tüdő-specifikus biomarkerek (myeloperoxidáz indukált köpetben, mRNA - testösszetétel (bioelektrikus ellenállás, zsirmentes testtömeg) - genotipizálás (DNS) kiválasztott vizsgálóhelyeken gyűjtött adatok - biomarkerek a kilégzett levegő-kondenzátumban, transzkripciós faktorok indukált köpetben, légzésmechanika

ECLIPSE: 3 éven át tartó megfigyelés (a vizsgálat vége 2010) 2165 COPD-beteg, GOLD II-IV 336 „egészséges” dohányzó 246 nem dohányzó Note that this is not an interventional study Note that we are on the second year of ECLIPSE which ends in 2010 kiindulás 3 hónap 6 12 18 24 30 36 vizitek 1 2 3 4 5 6 7 8 Vestbo J és mtsai: Eur Respir J 2008: 31: 869-873.

Respiratory Research 2010: 11: 122 A légszomj súlyossága (A), a járástávolság (B), az akut exacerbációk gyakorisága (C) és az életminőség a COPD súlyossági csoportjaiban (GOLD II, III, IV) Agusti A, Calverley PMA, Celli B és mtsai: Characterisation of COPD heterogenity in the ECLIPSE cohort Respiratory Research 2010: 11: 122

COPD különböző súlyossági csoportjaiban (GOLD II, III, IV) Az akut exacerbációk gyakoriságának és súlyosságának kapcsolata egy éven át tartó megfigyelés alatt a COPD különböző súlyossági csoportjaiban (GOLD II, III, IV) Hurst JR, Vestbo J, Anzueto A és mtsai: Susceptibility to exacerbation in chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 2010: 363: 1128-1138. az exacerbációk gyakorisága évente a gyakran exacerbálódók aránya GOLD II 0,85 22 % GOLD III 1,34 33 % GOLD IV 2,00 47 %

A gyakran exacerbálódó fenotipus stabilitása a 3 éves megfigyelési idő alatt Hurst JR, Vestbo J, Anzueto A és mtsai: Susceptibility to exacerbation in chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 2010: 363: 1128-1138.

Az életkor, BODE-index és a kórházi kezelések gyakorisága alapján szerkesztett Kaplan-Meier túlélési görbék krónikus obstruktiv tüdőbetegek(COPD) csoportjában (ECLIPSE vizsgálat) Celli B, Locantore N, Yates j és mtsai: Inflammatory biomarkers imprive clinical prediction of mortality In chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 2012: 185: 1065-1072. életkor BODE index kórházi kezelések túlélő betegek (%) megfigyelési idő (hónapok)

Különböző biomarkerek különbségei alapján szerkesztett Kaplan-Meier túlélési görbék nemdohányzó egészségesek és krónikus obstruktiv tüdőbetegek(COPD) csoportjaiban (ECLIPSE vizsgálat) Celli B, Locantore N, Yates j és mtsai: Inflammatory biomarkers imprive clinical prediction of mortality In chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 2012: 185: 1065-1072. interleukin-6 fehérvérsejtszám fibrinogén túlélő betegek (%) interleukin-8 Clara sejt szekretoros protein megfigyelési idő (hónapok)

Különböző biomarkerek értékei egészséges nemdohányzók, dohányzók és krónikus obstruktiv tüdőbetegek (COPD) csoportjaiban (ECLIPSE vizsgálat) Agusti A, Edwards RD, Rennard SJ lés mtsai: Persistent systemic inflammation is associated with poor clinical outcomes – a novel phenotype. PLoS 2012: 7(5): e37483 fehérvérsejtek C-reaktiv protein interleukin-6 interleukin-8 fibrinogén TNFα COPD dohányzók nem- COPD dohányzók nem- COPD dohányzók nem- dohányzók dohányzók dohányzók

Egy ,kettő vagy annál több és egyetlen kóros biomarker-értéket (fehérvérsejtszám, CRP, IL-6, fibrinogén) sem mutató krónikus obstruktiv tüdőbetegek arányai a bevonás idején és egy év múlva (ECLIPSE vizsgálat) Agusti A, Edwards RD, Rennard SJ lés mtsai: Persistent systemic inflammation is associated with poor clinical outcomes – a novel phenotype. PLoS 2012: 7(5): e37483 1 év betegtoborzás

A biológia rendszerek modellezésére alkalmazott hálózatok A : Erdős P, Rényi A véletlen hálózata (1958) B : Barabási AL, Albert R hatványfüggvényt követő (skálafüggetlen) hálózata (1999) C : véletlen moduláris gráf D : skálafüggetlen moduláris gráf

A szisztémás gyulladásos válaszreakció (inflammamome) hálózati vázlata nemdohányzók, normális tüdőfunkcióval rendelkező dohányzók és krónikus obstruktiv tüdőbetegek (COPD) csoportjában (ECLIPSE vizsgálat) Agusti A, Edwards RD, Rennard SJ lés mtsai: Persistent systemic inflammation is associated with poor clinical outcomes – a novel phenotype. PLoS 2012: 7(5): e37483 nemdohányzók dohányzók COPD (n: 202) (n:297) (n:1755) 63% aktiv dohányzó 36% aktiv dohányzó *p<0,001 vs nemdohányzók + p<0,05, ++ p<0,001 vs dohányzók

A COPD kórfejlődésében szerepet játszó legfontosabb molekulák a tüdőben és a periférián: a COPD-molekuláris ujjlenyomat összetevői Richens LJ, Urbanowicz RA, Lunt EAM és mtsai: Systems biology coupled with label-free high-throughput detection as a novel approach for diagnosis of chronic obstructive pulmonary disease. Respiratory Research 2009: 10: 29-46.

Nagyteljesitményű, multi-parametrikus, betegség-specifikus biomolekuláris mintázatok vizsgálatára alkalmas módszerek: 2D gél-elektroforézis flow cytometry tömegspektrometria microarray platformok Surface Plasmon Resonance (SPR) módszer vérminta plazma sejtek szekretált fehérjék intracelluláris intracelluláris fehérjék mRNA detector lézer ? az ismert COPD-specifikus fehérje/gén-mintázat a COPD diagnózisa (fenotipus-specifikus)