Discovery of new genes participating in the pathophysiology of Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF)

Abstract

Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) is the most common idiopathic interstitial pneumonia. As all interstitial lung diseases, IPF is characterized aberrant wound healing in response to repetitive injurious stimuli of the lung epithelial layer. Although there are currently therapies that slow down the disease progression, IPF is of particular clinical interest as it is lethal and often misdiagnosed and managed inappropriately. Disease appearance tends to increase worldwide, although it is not sure this reflects a true increase in incidence or increased recognition. In this work we aimed to identify new targets that could improve the diagnostic and therapeutic protocols against IPF. In this concept, we investigated the role of the proteins lipocalin-2 (LCN2) and heme oxygenase-1 (HO-1) in the pathophysiology of pulmonary fibrosis. Regarding LCN2, an antimicrobial scaffold protein which sequesters iron, we clarified its expression pattern using in silico and in vivo techniques, we revealed possible implications of LCN2 in the immune response and investigated its role in the pathogenesis of pulmonary inflammation and fibrosis using mouse models of acute lung inflammation and fibrosis. In brief, LCN2 was shown to have minor effects in BLM-induced pulmonary fibrosis, nevertheless it seems to strongly participate in LPS acute lung injury model which represents conditions resembling acute exacerbation in IPF patients. HO-1 is responsible for the degradation of heme to bilirubin, carbon monoxide, and iron. It has already been associated with IPF and several macrophage functions. So, we tried to clarify the role of the macrophage produced HO-1 in pulmonary fibrosis. We created conditional knockout mice which didn’t express HO-1 in their macrophage lineages using the Lysozyme M (LysM) cre mice crossed with mice carrying the flox sequence on the sides of HO-1 gene. We performed the LPS-induced acute lung injury (LPS-ALI) model and the bleomycin-induced pulmonary fibrosis model on these conditional knock out (cKO) and their wild type (WT) littermates and revealed a possible implication of macrophage produced HO-1 in the pathogenesis of pulmonary fibrosis. These experiments strongly supports the participation of macrophage produced HO-1 in the pathogenesis of BLM-induced pulmonary fibrosis, as it may regulate several pathways participating in the immune response and pulmonary fibrosis progression. The results presented in this work can help the academic community to better understand the pathophysiology of IPF and eventually produce novel therapeutic agents or protocols against IPF.

Η ιδιοπαθής πνευμονική ίνωση (Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF) είναι η πιο κοινή ιδιοπαθής διάμεση πνευμονoπάθεια. Όπως όλες οι διάμεσες πνευμονοπάθειες, η IPF χαρακτηρίζεται από ακανόνιστη διαδικασία επούλωσης τραύματος ως απόκριση σε επαναλαμβανόμενα τραυματικά ερεθίσματα της επιθηλιακής στιβάδας του πνεύμονα. Αν και υπάρχουν επί του παρόντος θεραπείες που επιβραδύνουν την εξέλιξη της νόσου, η IPF παρουσιάζει ιδιαίτερο κλινικό ενδιαφέρον καθώς είναι θανατηφόρος και συχνά έχει λανθασμένη διάγνωση και, συννεπώς, ακατάλληλη διαχείριση. Η εμφάνιση της νόσου τείνει να αυξάνεται παγκοσμίως, αν και δεν είναι βέβαιο ότι αυτό αντανακλά πραγματική αύξηση των περιπτώσεων ή απλά αυξημένη διάγνωσή της. Σε αυτή την εργασία στοχεύσαμε να εντοπίσουμε νέους στόχους που θα μπορούσαν να βελτιώσουν τα διαγνωστικά και θεραπευτικά πρωτόκολλα κατά της IPF. Σε αυτό το πλάισιο, διερευνήσαμε τον ρόλο των πρωτεϊνών λιποκαλίνη-2 (LCN2) και οξυγενάση της αίμης-1 (HO-1) στην παθοφυσιολογία της πνευμονικής ίνωσης. Όσον αφορά την LCN2, μια πρωτεΐνη με αντιμικροβιακή δράση η οποία δεσμεύει σίδηρο, διευκρινίσαμε το μοτίβο έκφρασής της χρησιμοποιώντας in silico και in vivo τεχνικές , αποκαλύψαμε πιθανές επιπτώσεις της LCN2 στην ανοσολογική απόκριση και διερευνήσαμε τον ρόλο του στην παθογένεση της πνευμονικής φλεγμονής και ίνωσης χρησιμοποιώντας μοντέλα οξείας φλεγμονής των πνευμόνων και ίνωσης σε ποντικούς. Εν συντομία, η LCN2 αποδείχθηκε ότι έχει μικρές επιδράσεις στην επαγόμενη από BLM πνευμονική ίνωση, ωστόσο φαίνεται να συμμετέχει έντονα στο μοντέλο οξείας πνευμονικής βλάβης με τη χρήση του LPS που αντιπροσωπεύει καταστάσεις οι οποίες μοιάζουν με οξεία έξαρση σε ασθενείς με IPF. Η HO-1 είναι υπεύθυνη για την αποδόμηση της αίμης σε χολερυθρίνη, μονοξείδιο του άνθρακα και σίδηρο. Έχει ήδη συσχετιστεί με της IPF καθώς και με πολλές λειτουργίες των μακροφάγων. Έτσι, προσπαθήσαμε να διευκρινίσουμε το ρόλο της ΗΟ-1 που παράγεται από τα μακροφάγα στην πνευμονική ίνωση. Δημιουργήσαμε ποντίκια υπό όρους νοκ άουτ που δεν εξέφραζαν HO-1 στις γενεαλογίες μακροφάγων τους χρησιμοποιώντας τα ποντίκια Lysozyme M (LysM) cre που διασταυρώθηκαν με ποντίκια που έφεραν την αλληλουχία flox στις δυο πλευρές του γονιδίου της HO-1. Πραγματοποιήσαμε το μοντέλο της οξείας πνευμονικής βλάβης που προκαλείται από LPS (LPS-ALI) και το μοντέλο πνευμονικής ίνωσης που προκαλείται από βλεομυκίνη σε αυτά τα υπό όρους νοκ άουτ (cKO) και τα άγριου τύπου (WT) συγγενή τους ζώα και αποκαλύψαμε μια πιθανή επίπτωση του HO-1 που παράγεται από τα μακροφάγα στην παθογένεση της πνευμονικής ίνωσης. Τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων στηρίζουν σθεναρά τη συμμετοχή της παραγόμενης από τα μακροφάγα HO-1 στην παθογένεση της επαγόμενης από BLM πνευμονικής ίνωσης, καθώς μπορεί να ρυθμίζει διάφορες οδούς που συμμετέχουν στην ανοσολογική απόκριση αλλά και στην εξέλιξη της πνευμονικής ίνωσης. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία μπορούν να βοηθήσουν την ακαδημαϊκή κοινότητα να κατανοήσει καλύτερα την παθοφυσιολογία της IPF και τελικά να οδηγήσει σε νέους θεραπευτικούς στόχους ή πρωτόκολλα κατά της IPF.