Onderzoek naar het verlies van de kleine luchtwegen en epitheliale veranderingen in chronische longziekten

De belangrijkste functie van de long is het garanderen van een optimale gasuitwisseling van de zuurstofopname en de verwijdering van kooldioxide tijdens de ademhaling. De lucht die de neus en de mond binnenkomt, reist door een goed georganiseerde luchtwegboom die bestaat uit takken zoals in bomen. Dit begint bij de luchtpijp (generatie 0 genoemd), die zich bij de eerste bifurcatie (generatie 1) in twee takken splitst, die elk vele malen langs de boom in kleinere luchtwegen worden verdeeld en eindigen in terminale bronchioles (generatie 5-16). De bifurcaties zijn niet symmetrisch dichotomisch maar meestal asymmetrisch met grote en kleine bifurcaties (1). De diameter en de lengte van de luchtwegen nemen af met toenemende generatie op een evenwichtige en geordende manier. Het fractale geometriesysteem van de luchtwegen en de verdeling van de stroming en druk langs dit systeem is zeer relevant voor het begrijpen van longpathologieën, maar worden vaak verwaarloosd. Er zijn momenteel geen uitgebreide studies die dit aspect hebben onderzocht op (gezonde) menselijke longen of longen van patiënten met luchtwegaandoeningen, omdat het tot nu toe ontbrak aan technieken die het mogelijk maken om de organisatie van de menselijke luchtwegen te analyseren. Dit is het eerste onderwerp dat in dit project aan de orde komt.
De structuur van de luchtwegen is aangepast aan hun functies en verschilt tussen de geleidende zone en de respiratoire zone. In de geleidende zone (tot generatie 16) vindt convectie plaats terwijl in de ademhalingszone (generatie 17-23) de gasuitwisseling plaatsvindt door diffusie. Terwijl grote luchtwegen een dikke wand van vezelig bindweefsel en kraakbeenringen hebben, waardoor ze robuust zijn, bestaat de kleine luchtweg (diameter <2mm) slechts uit een dunne laag gladde spieren (geschikt voor diffusie) die wordt ondersteund door alveolaire bevestiging om kleine luchtwegen open te houden. Deze structuur maakt ze kwetsbaarder omdat ze niet goed zijn toegerust voor overmatige druk en stromingsverstoringen, ze meer geneigd zijn in te storten en ze geen zodanige niche van voorlopercellen bezitten dat herhaalde schade zou leiden tot het verdwijnen van kleine luchtwegen als gevolg van een defect in het herstelproces. Wij geloven daarom dat de kleine luchtwegen de achilleshiel van de long vertegenwoordigen.
Het luchtwegepitheel, dat essentieel is voor het behoud van de luchtweghomeostase, bestaat uit een pseudostratificeerd epitheel waarvan de samenstelling verschilt langs de luchtwegboom. De meest voorkomende cellen zijn de gecilieerde cellen die 50-80% van de longepitheelcellen uitmaken. Deze zorgen ervoor dat stof en slijm worden verwijderd. Bokaalcellen (20-25%) produceren voornamelijk slijm en worden vervangen door knuppelcellen met toenemende luchtweggeneraties. Samen met de gecililieerde cellen zijn zij de belangrijkste spelers voor het verwijderen van de slijmvliezen (2) en het voorkomen van alveolaire instorting. Basale cellen worden beschouwd als de belangrijkste voortplantingscellen in de luchtwegen en ze zijn in staat om zich te vermenigvuldigen en te differentiëren in vrijwel alle celtypes van het luchtwegepitheel. Ze zijn in verschillende verhoudingen (6-30%) aanwezig in de luchtwegen en hun hoeveelheid neemt af naarmate de luchtwegen kleiner worden. Bovendien kunnen andere cellen, zoals secretorische clubcellen, ook fungeren als voorlopercellen voor ciliated en goblet cellen, terwijl in alveolair epitheel de type II cellen in staat zijn om zich te vermenigvuldigen en te differentiëren in type I en type II cellen. Elke verstoring in het onderhouds- en herstelproces van de integriteit van het epitheel kan leiden tot afwijkingen in het epitheel, variërend van hypoplasie (het niet differentiëren) tot basale en goblet-cel hyperplasie, squamous- en goblet-cel metaplasie, dysplasie en kwaadaardige transformatie. Deze afwijkingen komen vaak voor bij luchtwegaandoeningen. Er is gesuggereerd dat luchtwegbasiscellen kunnen bijdragen aan de vatbaarheid voor respiratoire aandoeningen en aan de progressie. Inderdaad, basale celuitputting veroorzaakt door continue activering van het herstelproces na herhaalde verwondingen aan het epitheel zou abnormale luchtweg remodellering bevorderen en bijdragen aan de ontwikkeling van chronische ziekten naast het verlies van kleine luchtwegen. Hoe verstoring van het celprofiel en het celgedrag de verdwijning van de terminale bronchiën beïnvloedt, blijft onbekend. Is het net als bij bomen waar de bladval in de herfst onder controle is van een scheidingsproces dat plaatsvindt in de abscissiezone van specifieke cellen? Om dit proces beter te begrijpen zullen we het cellulaire profiel (issue 2) en het cellulaire gedrag (issue 3) van de epitheelcellen in de kleine luchtwegen analyseren en bepalen hoe ze de luchtwegmorfologie beïnvloeden. We zullen ons richten op de "abscissiezone" die de zone is waar de luchtwegen de neiging hebben te verdwijnen en waar de bifurcatie plaatsvindt. 
Dit project zal zich richten op 2 belangrijke luchtwegaandoeningen, namelijk chronisch obstructieve longziekte (COPD) en idiopathische longfibrose (IPF), omdat deze worden gekenmerkt door een verminderd vermogen om het (kleine) luchtweg-epitheel goed te beschermen, te regenereren en te repareren. Verwacht wordt dat COPD tegen 2030 de derde belangrijke doodsoorzaak zal worden (3), terwijl IPF ongeveer 3 miljoen mensen wereldwijd. Beide ziekten hebben dezelfde risicofactoren zoals sigarettenrook, luchtvervuiling, genetische aanleg.... COPD wordt in verband gebracht met beperking van de luchtstroom door slijmhuidhypersecretie en verdikte luchtwegwanden (chronische bronchitis) en weefselvernietiging (emfyseem). Veranderde luchtwegepitheel in COPD wordt gekenmerkt door een basale en slijmcelhyperplasie met verlies van trilharen die geassocieerd worden met een cilaire dysfunctie, het bevat minder basale cellen (uitputting) en de resterende cellen beginnen zelfs hun voorlopersfunctie te verliezen. Bij gevorderde COPD wordt aangetoond dat slechts 10% van de terminale bronchiën intact blijft (4). IPF is een chronische, progressieve ziekte die behoort tot de interstitiële longziekten. Door de ophoping van fibroblasten en fibreus bindweefsel in het alveolaire interstitium wordt de alveolaire wand dikker en daardoor minder gasuitwisseling en elastische terugslag voorkomen dat de alveolen en dus de long tijdens de inademing opengaan (5). Dit houdt in dat kleine luchtwegen bij inademing kunnen bezwijken, omdat alveolaire aanhechtingen disfunctioneel zijn en leiden tot een restrictieve longfunctiestoornis. Dit betekent dat kleine luchtwegen kunnen bezwijken. Sommige gegevens die wijzen op morfologische en fysiologische afwijkingen van de kleine luchtwegen bij IPF-patiënten suggereren dat kleine luchtwegen een potentiële rol kunnen spelen bij IPF (6). Dit is bevestigd in ons labo waaruit blijkt dat slechts 20% van de kleine luchtwegen normaal blijven in het eindstadium van IPF (aanvaard voor publicatie, Lancet Resp. Med.).

Verschillende bewijzen wijzen nu op de zwakke punten van de kleine luchtwegen die suggereren dat ze de achilleshiel van de longen zijn. We veronderstellen dat hun veranderingen de eerste stap in het ontstaan van de longziekte zouden vertegenwoordigen, waarbij de basale (voorloper)cellen een belangrijke rol spelen in het verdwijnen van de kleine luchtwegen. Het doel van dit project is om meer inzicht te krijgen in de morfologische en epitheelcelveranderingen van het luchtwegepitheel tussen gezonde en zieke longen bij COPD en IPF en om te bepalen hoe epitheelveranderingen de morfologie van de long beïnvloeden. Dit zal worden behandeld in geexplanteerde longen van gezonde donoren, COPD en IPF patiënten verkregen uit longtransplantatie. De morfologische veranderingen van de luchtwegen, met een specifieke focus op de kleine luchtwegen, zullen worden beoordeeld door µCT op hele longen en kleine longcores. Veranderingen in de epitheliale celsamenstelling in kleine luchtwegen en bij abscissiezones zullen worden gevisualiseerd op de longcores door middel van immunokleuring. Het gedrag van epitheelcellen zal in vitro gevolgd worden in een lucht-vloeistof interface celkweeksysteem. Daartoe zullen primaire bronchiale epitheelcellen worden geïsoleerd uit verse geexplanteerde longen. Het merendeel van de technieken die gebruikt worden om deze problemen aan te pakken zijn al in ons laboratorium vastgesteld.