Xinzi Zheng

Stel je voor dat je longen een prachtige, goed georganiseerde stad zijn. De straten (luchtwegen) zijn bekleed met speciale gebouwen (epitheelcellen), die een sterke muur (barrière) vormen om de vijand (luchtvervuiling en ziektekiemen) buiten te houden. Er is in de straten ook een schoonveger met precies de juiste hoeveelheid schoonmaakvloeistof (slijm) om het afval (de ingeademde stoffen) op te verwijderen. Diep in je longen fungeren de kleine luchtzakjes (alveoli) als een handelspost, en geven zuurstof af aan je bloed en voeren koolstofdioxide af. Bij de ziekte genaamd chronische obstructieve longziekte (COPD) zijn deze gaswisselingsunits (de alveoli) ernstig beschadigd. De muren worden zwak, het afvalverwijderingssysteem breekt af, er is te veel schoonmaakvloeistof wat verstoppingen veroorzaakt, en de vechters (immuuncellen) kunnen de stad niet beschermen met hun munitie, en veroorzaken alleen maar meer schade (ontsteking) aan de gebouwen. Mijn onderzoek richt zich op het vinden van een van de belangrijkste veroorzakers van deze chaos die bijdraagt aan COPD.

COPD is een progressieve en invaliderende longziekte, die wordt veroorzaakt door het inademen van schadelijke omgevingsfactoren, zoals sigarettenrook en luchtvervuiling, in combinatie met erfelijke (genetische) factoren. Dit leidt tot chronische ontsteking, overmatige slijmproductie door de mucosa van de luchtwegen (de epitheellaag), verdikking van de luchtwegen en afbraak van de alveoli. Deze factoren dragen allemaal bij aan luchtwegobstructie en verlies van longfunctie, wat leidt tot ernstige ademhalingsmoeilijkheden. Hoewel de triggers bekend zijn, zijn de onderliggende mechanismen van deze pathologische processen in de luchtwegen en longweefselschade nog niet opgehelderd.

Hoewel genetische factoren een belangrijke rol spelen in de vatbaarheid voor het ontwikkelen van COPD, kunnen deze de ontwikkeling van COPD niet volledig verklaren. Naast genetica gaan veel ziekten, waaronder COPD, vaak gepaard met zogenaamde epigenetische veranderingen. Hierbij veranderen omgevingsfactoren hoe je genen worden afgelezen, zonder de genetische informatie (DNA) zelf te veranderen; een mechanisme om ons aan te passen aan onze omgeving. Wanneer deze epigenetische mechanismen ontregeld zijn, kan ziekte ontstaan. Een dergelijke epigenetische regulator is een molecuul genaamd HOTAIR, waarvan bekend is dat de hoeveelheid in de luchtwegen toeneemt door sigarettenrook. HOTAIR is betrokken bij epitheelherstel na schade, maar als de werking van HOTAIR niet nauw wordt gereguleerd, kan de aanwezigheid van HOTAIR leiden tot afwijkingen in luchtwegepitheelcellen die zijn gevonden bij longkanker. Omdat sigarettenrook een belangrijke risicofactor is voor COPD en vergelijkbare afwijkingen in de luchtwegepitheelcellen zijn waargenomen als bij longkanker, veronderstellen we dat HOTAIR ook een rol kan spelen bij COPD. Daarom onderzochten we de rol van HOTAIR in longepitheel afwijkingen bij COPD. Hierbij kun je HOTAIR voorstellen als een soort hoofdschakelaar die vele andere processen in de epitheelcellen aanstuurt na blootstelling aan sigarettenrook, wat resulteert in een verminderd herstelresponse en verergering van epitheelafwijkingen.

Dit proefschrift richt zich op het ophelderen van de betrokkenheid van HOTAIR bij abnormale reacties van het luchtwegepitheel die zijn gevonden bij COPD. Deze omvatten verlies van barrièrefunctie, verlies van functie van de energiefabriekjes in de cellen (de mitochondriën), wat leidt tot uitputting van herstelresponsen evenals een toename van processen die leiden tot aantrekking van immuuncellen en ontsteking veroorzaken. We bestudeerden dit door gebruik te maken van een verbinding genaamd AQB, die de functie van HOTAIR remt.

Belangrijkste bevindingen

In deze studie heb ik ontdekt dat blootstelling aan sigarettenrook in gekweekte luchtwegepitheelcellen van COPD-patiënten leidt tot meer aanwezigheid van HOTAIR, wat niet werd waargenomen in epitheelcellen van gezonde controles. In COPD-afkomstige cellen zet HOTAIR vervolgens waarschijnlijk de verkeerde schakelaars om. Onze gegevens suggereren dit vervolgens leidt tot activering van processen die bijdragen aan de typische pathologische afwijkingen die worden gevonden in het luchtwegepitheel van COPD patiënten, zoals hierboven beschreven.

In hoofdstuk 2 bestudeerden we eerst het effect van het verlies van epitheelbarrièrefunctie, zoals waargenomen bij COPD, en toonden aan dat dit verlies leidt tot verhoogde epitheelreacties die tot meer ontsteking (inflammatie) leiden - pro-inflammatoire responsen, zoals de afgifte van signalen die immuuncellen aantrekken en activeren, cytokines en chemokines genaamd. We bestudeerden dit door een van de moleculen die fungeert als een soort ritssluiting om epitheelcellen aan elkaar te hechten, genaamd E-cadherine, genetisch te verwijderen. We deden dit in humane luchtwegepitheelcellen, en vonden dat dit resulteert in een grotere kwetsbaarheid van de epitheelcellen voor sigarettenrook en sterkere pro-inflammatoire responsen. In gekweekte epitheelcellen van COPD-patiënten waren de niveaus E-cadherine lager, wat ook gepaard ging met meer pro-inflammatoire activiteit. In onze longen kan het verlies van dit molecuul, zoals waargenomen bij COPD, dus leiden tot meer ontsteking zodra epitheelcellen in contact komen met sigarettenrook.

In hoofdstuk 3 ontdekten we dat wanneer epitheelcellen van mensen met COPD worden blootgesteld aan sigarettenrook, dit een stijging van HOTAIR veroorzaakt. In aanwezigheid van sigarettenrook zette HOTAIR een andere schakelaar aan, wat leidde tot activering van een molecuul genaamd LSD1, en dit resulteerde in verhoogde pro-inflammatoire responsen van de epitheelcellen, met een hogere uitscheiding van specifieke cytokines. De studie toonde aan dat met name in epitheelcellen van COPD-patiënten de pro-inflammatoire responsen worden verhoogd door HOTAIR na blootstelling aan sigarettenrook, en dat dit effect niet kon worden geremd door AQB, terwijl AQB de ontstekingsresponsen in epitheelcellen van controlepersonen significant onderdrukte. Voor toekomstige therapeutische strategieën om ontsteking bij COPD te verminderen, kan het dus nuttig zijn om te focussen op de remming van het HOTAIR-LSD1 pad.

In hoofdstuk 4 toonden we aan dat verhoogde HOTAIR-niveaus leiden tot verstoring van de energiecentrales van de cellen (mitochondriële functie), wat leidt tot metabolische veranderingen. In luchtwegepitheelcellen van COPD-patiënten was de activiteit van mitochondriën lager dan in cellen van controles. Met het gebruik van AQB om de functie van HOTAIR te remmen, vonden we dat de activiteit van mitochondriën toenam in luchtwegepitheelcellen van COPD-patiënten, wat erop wijst dit kan leiden tot een betere energievoorziening. Soortgelijke resultaten werden waargenomen in aanwezigheid van sigarettenrook, wat suggereert dat interferentie met de functie van HOTAIR de door sigarettenrook geïnduceerde verstoring van de mitochondriële functie kan herstellen.

In hoofdstuk 5 maakte ons onderzoek duidelijk dat HOTAIR ook een rol speelt in de epitheelbarrièrefunctie en het herstel van beschadigde epitheelcellen met betrekking tot de samenstelling van de epitheellaag in de luchtwegen zowel als alveoli. Met behulp van de remmer AQB observeerden we dat in epitheelcellen van COPD-patiënten, HOTAIR dezelfde schakelaar gebruikt als beschreven in hoofdstuk 3, genaamd LSD1, wat leidt tot downregulatie van het molecuul E-cadherine (zoals beschreven in hoofdstuk 2). Dit beschadigt de beschermende barrière van de long, waardoor het gemakkelijker wordt voor irriterende stoffen en ziektekiemen om binnen te dringen. Bovendien vertoonden epitheelcellen van COPD-patiënten die met AQB werden behandeld, een verhoogde slijmproductie. Dit suggereert dat HOTAIR via hetzelfde schakelmechanisme slijmverstopping bij COPD kan induceren. Het voorkomen van de interactie tussen HOTAIR en LSD1 kan dus ook een veelbelovende weg zijn voor nieuwe strategieën om slijmverstopping te verminderen.

Dit onderzoek benadrukt het belang van ontregelde HOTAIR-expressie bij COPD, gaat voorbij aan de studie van traditionele eiwit-coderende genen en opent nieuwe wegen naar behandeling met behulp van epigenetische middelen.

Conclusie

Specifiek heb ik onderzocht hoe HOTAIR direct bijdraagt aan elk van de vier kernproblemen in epitheelcellen van COPD-patiënten:

- Het verstoort de eiwitten die de epitheelbarrière bij elkaar houden. De verhoogde HOTAIR-expressie in epitheelcellen van COPD-patiënten heeft een wisselwerking meer met de moleculaire schakelaar LSD1, wat leidt tot verminderde barrière-genexpressie en vervolgens tot dysfunctie van de epitheellaag in de luchtwegen. Dit kan bijdragen aan de ontwikkeling van COPD, aangezien verlies van luchtwegepitheel barrièrefunctie een belangrijk pathologisch kenmerk is van COPD.
- Het zet genen aan die ontsteking veroorzaken. Verhoogde HOTAIR-expressie in luchtwegepitheelcellen van COPD-patiënten en de interactie met LSD1 leiden ook tot versterkte pro-inflammatoire responsen. Chronische ontsteking is een kenmerk van COPD dat leidt tot weefselschade.
- Het verstoort de functie van de cellulaire energiefabriekjes (mitochondriën), wat gevolgen kan hebben voor zowel pro-inflammatoire responsen als het vermogen van het luchtwegepitheel om te herstellen. Bovendien kan de beschadigde mitochondriële functie verder leiden tot cellulaire veroudering, met minder energie om de beoogde biologische functie uit te voeren.
- Het zet genen aan die coderen voor slijm. Overmatige slijmproductie kan leiden tot hoesten en slijm opgeven, wat veel COPD-patiënten ervaren.

Kortom, mijn werk identificeert HOTAIR als een centrale bijdrager aan de longepitheelschade en het abnormale herstel zoals gezien bij COPD. Als we dus een therapeutische verbinding kunnen ontwikkelen die inwerkt op de moleculaire schakelaar LSD1, zouden we mogelijk de oorzaak van de schade kunnen verminderen of behandelen, en niet alleen de symptomen, wat nieuwe hoop biedt voor patiënten met COPD.