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Pre-clinical modeling of viral- and bacterial-induced exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease

Prä-klinische Modellierung von viral und bakteriell induzierten Exazerbationen von Chronisch Obstruktiver Lungenerkrankung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-144368
  • Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) exacerbations are a considerable reason for increased morbidity and mortality in patients. Infections with influenza virus (H1N1), respiratory syncytial virus (RSV) or nontypeable Haemophilus influenzae (NTHi) are important triggers of exacerbations. To date, no treatments are available which can stop the progression of COPD. Novel approaches are urgently needed. Pre-clinical models of the disease are crucial for the development of novel therapeutic options. In order to establish pre-clinicalChronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) exacerbations are a considerable reason for increased morbidity and mortality in patients. Infections with influenza virus (H1N1), respiratory syncytial virus (RSV) or nontypeable Haemophilus influenzae (NTHi) are important triggers of exacerbations. To date, no treatments are available which can stop the progression of COPD. Novel approaches are urgently needed. Pre-clinical models of the disease are crucial for the development of novel therapeutic options. In order to establish pre-clinical models which mimic aspects of human COPD exacerbations, mice were exposed to cigarette smoke (CS) and additionally infected with H1N1, RSV and/or NTHi. Clinically relevant treatments such as the corticosteroids Fluticasone propionate and Dexamethasone, the phosphodiesterase-4 (PDE-4) inhibitor Roflumilast and the long-acting muscarinic receptor antagonist Tiotropium were tested in the established models. Furthermore, a novel treatment approach using antibodies (Abs) directed against IL-1α, IL-1β or IL-1R1 was examined in the established CS/H1N1 model. Levels of IFN-γ, IL-1β, IL-2, IL-6, KC, TNF-α, RANTES, IL-17, MCP-1, MIP 1α and MIP-1β were measured in lung homogenate. Numbers of total cells, neutrophils and macrophages were assessed in bronchoalveolar lavage (BAL) fluid. Hematoxylin- and eosin- (H&E-) stained lung slices were analyzed to detect pathological changes. Quantitative polymerase-chain-reaction (qPCR) was used to investigate gene expression of ICAM-1 and MUC5 A/C. The viral/bacterial load was investigated in lung homogenate or BAL fluid. In addition to the in vivo studies, the effects of the above mentioned treatments were investigated in vitro in H1N1, RSV or NTHi-infected (primary) human bronchial epithelial cells using submerged or air-liquid-interface (ALI) cell culture systems. Four pre-clinical models (CS/H1N1, CS/RSV, CS/NTHi, CS/H1N1/NTHi) were established depicting clinically relevant aspects of COPD exacerbations such as increased inflammatory cells and cytokines in the airways and impaired lung function. In the CS/H1N1 model, Tiotropium improved lung function and was superior in reducing inflammation in comparison to Fluticasone or Roflumilast. Moreover, Fluticasone increased the loss of body-weight, levels of IL-6, KC and TNF-α and worsened lung function. In CS/RSV-exposed mice Tiotropium but not Fluticasone or Roflumilast treatment reduced neutrophil numbers and IL-6 and TNF α levels in the lung. The viral load of H1N1 and RSV was significantly elevated in CS/virus-exposed mice and NCI-H292 cells after Fluticasone and Dexamethasone treatment. The results from these studies demonstrate that Tiotropium has anti-inflammatory effects on CS/virus-induced inflammation and might help to explain the observed reduction of exacerbation rates in Tiotropium-treated COPD patients. Furthermore, the findings from this work indicate that treatment with Fluticasone or Dexamethasone might not be beneficial to reduce inflammation in the airways of COPD patients and supports clinical studies that link treatment with corticosteroids to an increased risk for pneumonia. Testing of anti-IL-1α, anti-IL-1β or anti-IL-1R1 Abs in the CS/H1N1 model suggests that, in line with clinical data, antagonization of IL-1β is not sufficient to reduce pulmonary inflammation and indicates a predominant role of IL-1α in CS/virus-induced airway inflammation. In line with the in vivo findings, anti-IL-1α but not anti-IL-1β Abs reduced levels of TNF-α and IL-6 in H1N1-infected primary human bronchial epithelial ALI cell culture. Blocking the IL-1R1 provided significant inhibitory effects on inflammatory cells in vivo but was inferior compared to inhibiting both its soluble ligands IL-1α and IL-1β. Concomitant usage of Abs against IL-1α/IL-1β revealed strong effects and reduced total cells, neutrophils and macrophages. Additionally, levels of KC, IL-6, TNF-α, MCP-1, MIP-1α and MIP-1β were significantly reduced and ICAM-1 mRNA expression was attenuated. These results suggest that combined inhibition of IL-1α/IL-1β might be beneficial to reduce inflammation and exacerbations in COPD patients. Moreover, combined targeting of both IL-1α/IL-1β might be more efficient compared to inhibition of the IL-1R1. As in the CS/virus models, corticosteroid treatment failed to reduce inflammatory cells in the CS/NTHi and CS/H1N1/NTHi models, increased the loss of body-weight and the bacterial load. Furthermore, Roflumilast administration had no significant effects on cell counts or cytokines. However, it improved compliance in the CS/NTHi model. Treatment with Azithromycin reduced the bacterial load in the CS/NTHi model and reduced numbers of total cells, neutrophils, macrophages and levels of KC and TNF-α in the CS/H1N1/NTHi model. In conclusion, the established CS/H1N1, CS/RSV, CS/NTHi, CS/H1N1/NTHi models depict clinically relevant aspects of human COPD exacerbations in mice and provide the opportunity to investigate underlying disease mechanisms and to test novel therapies.show moreshow less
  • Exazerbationen von Chronisch Obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) sind ein bedeutender Grund für erhöhte Morbidität und Mortalität von Patienten. Infektionen mit Influenza Virus (H1N1), Respiratory Syncytial Virus (RSV) oder nontypeable Haemophilus influenzae (NTHi) gelten als wichtige Auslöser von Exazerbationen. Bis heute gibt es keine Therapien, welche die Progression von COPD verhindern können. Neue Therapieansätze werden daher dringend benötigt. Prä-klinische Modelle spielen bei der Entwicklung neuer Therapien eine entscheidendeExazerbationen von Chronisch Obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) sind ein bedeutender Grund für erhöhte Morbidität und Mortalität von Patienten. Infektionen mit Influenza Virus (H1N1), Respiratory Syncytial Virus (RSV) oder nontypeable Haemophilus influenzae (NTHi) gelten als wichtige Auslöser von Exazerbationen. Bis heute gibt es keine Therapien, welche die Progression von COPD verhindern können. Neue Therapieansätze werden daher dringend benötigt. Prä-klinische Modelle spielen bei der Entwicklung neuer Therapien eine entscheidende Rolle. Um Aspekte einer humanen COPD-Exazerbation abzubilden, wurden Mäuse Zigarettenrauch (CS) ausgesetzt und zusätzlich mit H1N1, RSV und/oder NTHi infiziert. Klinisch relevante Behandlungen, z.B. die Kortikosteroide Fluticasonpropionat und Dexamethason, der Phosphodiesterase 4 (PDE-4) Inhibitor Roflumilast und der muskarinische Rezeptorantagonist Tiotropium, wurden in den etablierten Modellen getestet. Zudem wurde ein neuer therapeutischer Ansatz untersucht bei dem IL-1α, IL-1β neutralisierende bzw. IL-1R1 blockierende Antikörper (Ak) zum Einsatz kamen. Die Mengen von IFN-γ, IL-1β, IL 2, IL-6, KC, TNF-α, RANTES, IL-17, MCP-1, MIP-1α und MIP-1β wurden im Lungenhomogenat gemessen. Die Gesamtzellzahl und die Anzahl von Neutrophilen und Makrophagen wurden in bronchoalveolärer Lavage (BAL) Flüssigkeit bestimmt. Hematoxylin- und Eosin- (H&E-) gefärbte Lungenschnitte wurden analysiert, um pathologische Veränderungen zu detektieren. Quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) wurde genutzt, um die Genexpression von ICAM-1 und MUC5 A/C zu untersuchen. Die Virus /Bakterienlast wurde in BAL Flüssigkeit oder Lungenhomogenat gemessen. Darüber hinaus wurden die Effekte der oben genannten Behandlungen in vitro in H1N1, RSV oder NTHi infizierten (primären) humanen bronchialen Epithelzellen in „submerged“ oder „air-liquid-interface (ALI)“ Zellkultur-Systemen untersucht. Vier prä-klinische Modelle (CS/H1N1, CS/RSV, CS/NTHi, CS/H1N1/NTHi) wurden etabliert, die relevante Aspekte einer Exazerbation, wie beispielsweise den Einstrom inflammatorischer Zellen, erhöhte Zytokinlevel oder verminderte Lungenfunktion abbilden. Im CS/H1N1-Modell verbesserte Tiotropium die Lungenfunktion und zeigte stärker anti-entzündliche Effekte als Fluticason oder Roflumilast. Zudem verstärkte Fluticason den Gewichtsverlust, erhöhte die Level von IL-6 und TNF-α und verschlechterte die Lungenfunktion. Im CS/RSV-Modell reduzierte Tiotropium, aber nicht Fluticason oder Roflumilast die Zahl der Neutrophilen sowie IL-6 und TNF-α Mengen. Die Menge von H1N1 und RSV war in den CS/Virus-Modellen sowie in NCI-H292 Zellen nach Fluticason- oder Dexamethason-Behandlung signifikant erhöht. Die Ergebnisse dieser Studien demonstrieren anti-inflammatorische Effekte von Tiotropium auf CS/Virus-induzierte Entzündung und könnten helfen, reduzierte Exazerbationshäufigkeiten in mit Tiotropium behandelten Patienten zu erklären. Zudem könnten die Resultate dieser Arbeit darauf hindeuten, dass die Behandlung mit Kortikosteroiden nicht geeignet ist, um Entzündung in COPD-Patienten zu reduzieren, und könnten dabei helfen, das in klinischen Studien festgestellte erhöhte Risiko von Pneumonien bei Behandlung mit Kortikosteroiden zu erklären. Im Einklang mit klinischen Daten deutet die Testung von anti-IL-1α, anti-IL-1β oder anti IL-1R1 Ak im CS/H1N1-Modell darauf hin, dass die Neutralisation von IL-1β nicht ausreicht, um die Entzündung in der Lunge zu reduzieren, und impliziert eine prädominierende Rolle von IL-1α in CS/H1N1-induzierter Atemwegsentzündung. Konform mit den in vivo Ergebnissen, reduzierten anti-IL-1α, aber nicht anti-IL-1β Ak, TNF-α und IL-6 in H1N1-infizierter primärer humaner bronchialer epithelialer ALI-Zellkultur. Die Blockade von IL-1R1 zeigte in vivo signifikante inhibitorische Effekte auf inflammatorische Zellen, die verglichen mit der Neutralisation seiner löslichen Liganden IL-1α/IL-1β allerdings unterlegen waren. Die kombinierte Neutralisation von IL-1α/IL-1β war sehr effektiv und reduzierte die Gesamtzellzahl sowie die Zahl der Neutrophilen und Makrophagen in der Lunge. Zusätzlich wurden die Level von KC, IL-6, TNF-α, MCP-1, MIP-1α und MIP-1β signifikant reduziert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass kombinierte Inhibition von IL-1α/IL-1β geeignet sein könnte, um Entzündung und Exazerbationen in COPD-Patienten zu reduzieren. Zudem könnte IL-1α/IL-1β-Neutralisation effektiver sein als IL-1R1-Blockade. Wie in den CS/Virus-Modellen wurden inflammatorische Zellen durch Kortikosteroid-Behandlung im CS/NTHi- und CS/H1N1/NTHi-Modell nicht reduziert, verstärkten zudem den Gewichtsverlust und erhöhten die Bakterienmenge. Roflumilast zeigte keine Effekte auf Zellzahlen und Zytokine. Allerdings verbesserte die Behandlung damit die Compliance im CS/NTHi-Modell. Die Behandlung mit Azithromycin reduzierte die Bakterienmenge im CS/NTHi-Modell und reduzierte die Gesamtzellzahl und Anzahl von Neutrophilen und Makrophagen, sowie die Level von KC und TNF-α im CS/H1N1/NTHi-Modell. Zusammenfassend bilden die etablierten CS/H1N1-, CS/RSV-, CS/NTHi-, CS/H1N1/NTHi-Modelle klinisch relevante Aspekte von humanen COPD-Exazerbationen ab und ermöglichen die Erforschung von Krankheitsmechanismen und neuen Therapieansätze.show moreshow less

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Metadaten
Author: Hannes Bucher
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-144368
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Klaus Erb, Prof. Dr. Thomas Rudel
Date of final exam:2017/02/10
Language:English
Year of Completion:2018
Pagenumber:XIII, 105
Sonstige beteiligte Institutionen:Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 615 Pharmakologie, Therapeutik
GND Keyword:Obstruktive Ventilationsstörung; Exazerbation; Maus
Tag:Model
COPD; Exacerbation; Influenza; NTHi; Preclinical; Tiotropium; Treatment
Release Date:2018/02/12
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht