Interleukine 13: centrale mediator van allergische asthma Zoals we vorige week al uitgelegd kregen weten we dat de pathofysiologische kenmerken van allergische astma te wijten zijn aan een expansie van CD4+ T cellen die cytokines produceren van het Th2 type, nl. IL-4, IL-5 en IL-13. In dit artikel gaat men onderzoeken welke van deze 3 cytokines kritisch en noodzakelijk zijn voor het veroorzaken van allergische astma en welke niet. Ik ga even nog een overzicht geven van wat we reeds gezien hebben in de introductieles van voor de paasvakantie. Marsha Wills-Karp

IgE MUCUSVORMING BESCHADIGING SPIERSPASME OEDEEM ALLERGEEN IgE MACROFAAG MESTCEL Th2 CEL EOSINOFIEL MUCUSVORMING BESCHADIGING LUCHTWEG-EPITHEEL Persoon ademt het allergeen in  bindt aan de IgE’s die gelinkt zijn aan de mestcellen  deze zorgen voor een differentiatie van T-lymfocyten naar Th2-cellen en scheiden ook nog schadelijke stoffen uit die zorgen voor beschadiging van het luchtweg epitheel zodat het zijn functie niet meer kan uitoefenen zoals de allergenen en mucus buiten de luchtwegen brengen. De Th2-cellen gaan dan ook nog eens cytokines afscheiden waardoor er eosinofielen naar de site van ontsteking gaan migreren en deze zullen dan ook nog eens stoffen afscheiden die de ontsteking ook in de hand werken, maar ook door de geproduceerde cytokines afkomstig van de Th2 lymfocyt. Histamine ,afkomstig van de mestcellen, zorgt voor vernauwing van de luchtwegen door de hypersecretie van mucus en spasmes van de spiercellen. Kenmerkend aan ontsteking is ook vasodilatatie zodat de regio beter bevloeid wordt, maar dat heeft dan ook weer zijn gevolgen, nl. dat er veel vocht uit de bloedvaten treedt en zo zal lijden tot oedeem, wat dan ook de ademhaling van de patiënt nadelig gaat beïnvloeden. SPIERSPASME VASODILATATIE OEDEEM http://www.spreekuurthuis.nl/themapag.html?thema=Astma&hfdstk=2

Pathofysiologische kenmerken Allergische asthma = Bronchiale hyperreactiviteit (AHR) Chronische ontsteking: eosinofielen Mucus hypersecretie Vernauwing van de luchtwegen Dus nog even herhalen: we kunnen enkel van allergische astma spreken wanneer deze 4 symptomen simultaan voorkomen. AHR = airway hyperresponsiveness  verhoogde reactie op prikkelbare stoffen, niet enkel op het allergeen De ontsteking is te wijten aan de opstapeling van eosinofielen Vernauwing van de luchtwegen  samentrekken van de gladde spieren en deze is periodisch en dus ook reversibel

CD4+ lymfocyten zijn verantwoordelijk Noodzakelijk voor inductie van allergische astma in muizen modellen Type 2 cytokines- producerende T -lymfocyten ondergaan expansie in deze modellen + bij astma patiënten Type 2 cytokines zijn overvloedig aanwezig in de luchtwegen Men stelt dus de CD4+ T lymfocyten verantwoordelijk omwille van 3 redenen.

IL- 4 wel echt nodig? Blokkade IL- 4 tijdens allergeen - sensitisatie → heft ontwikkeling van allergische astma op Blokkade IL- 4 tijdens allergeen- challenge → heft de ontwikkeling NIET op IL- 4 kan op zich geen allergische astma ontwikkelingen! Nu we weten dat er 3 cytokines zijn die geproduceerd worden nl. IL-4, IL-5 en IL-13, maar zijn deze wel allemaal nodig voor het induceren van allergische astma? Men heeft onderzocht of IL-4 op zich de astma kan veroorzaken. Men onderzoekt dit door dit cytokine te gaan blokkeren op 2 verschillende tijdstippen en dan te kijken of door het wegnemen van dit cytokine, de pathologische symptomen van astma hierbij zullen verdwijnen. Het is logisch als men tijdens de sensitisatie IL- 4 gaat blokkeren dat men dan asthma kan opheffen, maar als men dit doet tijdens de challenge dan kan het niet meer de astma opheffen, wat dus wil zeggen dat er een andere factor verantwoordelijk is voor allergische astma te induceren en Il- 4 enkel helpt met de Th2 cel deviatie.

ovalbumine Intraperitoneaal → sentisatie Intratracheaal → challenge AHR pulmonaire eosinofielie ↑ serum IgE mucus hypersecretie Na 4 dagen IL- 13 bindt aan de alfa- keten van de IL- 4 R en daarom is men de rol van IL- 13 in allergische astma gaan onderzoeken. Hiervoor heeft men een muizen model opgesteld. Hiervoor werd volgend model gebruikt. Men maakt gebruik van vloeibaar albumine als allergeen dat men… A/J muizen: Hc deficiënt  hemolytic component = allergeen- geïnduceerde bronchiale hyperresponsiviteit Mannelijke A/J muizen

Welk cytokine is dan wel verantwoordelijk voor de inductie van allergische astma? Omwille van het feit dat IL- 13 bindt aan de alfa keten van de IL- 4 R is men onderzoek gaan verrichten naar dit IL- 13.

IL- 13 - blokkage keert AHR om Fusie = IL-13α2-IgGFc Men heeft 4 groepen gemaakt: 2 groepen die gesensitiseerd en gechallengd werden met PBS en 2 groepen die gesensitiseerd en gechallengd werden met ovalbumine. Daarna werd bij telkens een van de PBS groep een controle humaan antilichaam intraperitoneaal toegevoegd, Hu- Ig op 3 tijdstippen -1, +1 en +3 dagen van de tweede antigen challenge, dat IL- 13 dus NIET zal binden, en het fusie proteïne dat dus WEL IL- 13 zal binden en neutraliseren. Vervolgens meet men de druk in de luchtwegen en vervolgens gaat men die integreren over de tijd zodat men de APTI bekomt en dit is de airway-pressure-time-index. Hoe hoger de waarde, hoe hoger de druk in de luchtwegen wat wijst op vernauwing. De eerste groep die geïmuniseerd is met PBS en het controle- Ab kreeg, vormt de controle groep. De tweede groep kreeg het fusie – proteïne toegevoegd waardoor de druk in de luchtwegen iets verlaagd is. De derde groep werd geïmmuniseerd met ovalbumine dat de allergische astma induceert en vervolgens werd het controle antilichaam toegevoegd dat het IL- 13 dus niet zal neutraliseren en vervolgens wordt de astma ook niet onderdrukt. De laatste groep werd ook met ovalbumine geïmmuniseerd en vervolgens het fusie – proteïne toegediend, hetgeen dus wel IL- 13 zal neutraliseren en bijgevolg zien we een vergelijkbare druk in de luchtwegen met de controle groep, waardoor we dus kunnen besluiten dat het blokkeren van IL- 13 de AHR volledig omkeert en dat bijgevolg IL- 13 dus verantwoordelijk is voor de AHR. PBS + Hu- Ig PBS + Fusie OVA + Hu- Ig OVA + Fusie

IL- 13 blokkage keert AHR om wanneer het fenotype al volledig ontwikkeld was, maar IL- 4 blokkage kan dit niet! MECHANISME: Stat6 activatie ligt downstream van de IL- 4Rα gemedieerde signalering voor beide cytokines IL- 13 is waarschijnlijk de primaire CD4+ T-cel afgeleide factor verantwoordelijk voor AHR

Geen cascade via de eosinofielen PBS + Hu- Ig PBS + Fusie OVA + Hu- Ig OVA + Fusie Eosinofielen Lymfocyten Om het onderliggend mechanisme van de IL- 13 afhankelijke expressie van AHR te evalueren, karakteriseren we enkele gekende allergische effector cascades. Eosinofielen zijn de primaire effector cellen in astma en astmatische AHR, we gaan eens kijken wat het effect is van het fusieproteïne op het aantal eosinofielen. Bij de groepen geïmmuniseerd met PBS zien we slecht zeer lage aantallen van eosinofielen en T-lymfocyten. Bij de groepen geïmmuniseerd met ovalbumine zie je zeer grote aantallen T- lymfocyten wat wijst op ontsteking en redelijk lage aantallen eosinofielen. Het aantal is echter hetzelfde bij beide groepen, waaruit we kunnen besluiten dat de cascade van de eosinofielen bij de inductie van AHR niet aan te pas komt.

AHR is onafhankelijk van IgE- productie PBS + Hu- Ig PBS + Fusie OVA + Hu- Ig OVA + Fusie Vervolgens bestuderen we de relevantie van de IgE - gemedieerde pathway door de OVA - specifieke IgE’s te meten in het serum. Deze OVA - specifieke IgE’s werden enkel geobserveerd in de groepen die gesensitiseerd en gechallengd waren met ovalbumine, en dus niet in de eerste 2 groepen. Blokkage van het IL- 13 had geen effect op de OVA - specifieke IgE concentraties. Wederom is AHR niet afhankelijk van de IgE productie in dit model

Mucus hypersecretie is afhankelijk van IL- 13 De coupes werden aangekleurd met: hematoxyline + eosine  cellen en PAS  glucose In congruentie met de muizen modellen is er ook bij de mens een toename van de mucus van het luchtweg epitheel. Vervolgens kijken we wat het effect is van de blokkage van IL- 13 op de mucusfypersecretie. De eerste coupe is de controle. Er is slecht een klein aantal eosinofielen aanwezig. De tweede coupe is van een muis met allergische astma: hierbij zijn zeer veel eosinofielen op de merken, en vervolgens de laatste is de geïmmuniseerde muis behalndeld met de IL- 13 blokkade: slechts weinig eosinofielen zijn op te merken waardoor we kunnen besluiten dat de IL- 13 blokkage de mucushypersecretie kan omkeren en dat ze dus ook afhankelijk is van IL- 13! PBS + Hu- Ig OVA + Hu- Ig OVA + Fusie

Als IL- 13 noodzakelijk is voor de expressie van AHR, kan het op zich dan AHR induceren?

IL- 13 induceert eosinofiel infiltratie Men heeft dagelijks recombinant IL- 13 toegediend aan naïeve muizen en gezien dat deze op zich AHR kunnen induceren: Verhoogde niveaus van IL- 13 op zich kunnen al AHR veroorzaken. De druk in de luchtwegen neemt toe en het aantal eosinofielen ook: een significante toename kon men al na 24h vaststellen in het BAL vocht, maar met kon niet hetzelfde vaststellen tijdens de expressie van AHR. We kunnen pas spreken van AHR na 72h. PBS IL-13 24h IL- 13 72h PBS IL-13 24h IL- 13 72h

Belang het belang van de tijdspanne van eosinofiel influx is nog onduidelijk → IL- 13 kan voldoende zijn om eosinofiel infiltratie te induceren → mogelijkheid om cytokine expressie op te reguleren

PBS IL-13 24h IL- 13 72h Luchtweg administratie van rIL- 13 resulteert ook in een tijdafh. toename van het totale serum IgE, wat aansluit bij het feit dat IL- 13 IgE synthese kan regelen. De toenames van IgE waren onafhankelijk van enige immunisatie met een allergeen. En als laatste, zoals voorspeld uit de IL- 13 inhibitie studies, kan rIL- 13 een mucus hypersecretie induceren.