Op weg naar een inhalatietherapie met vitamine D voor COPD?

Chronisch obstructief longlijden (COPD) wordt gekarakteriseerd door een progressieve en onomkeerbare luchtwegvernauwing als resultaat van een chronische inflammatie van de kleine luchtwegen door blootstelling aan schadelijke gassen en partikels. Bovendien zorgt een verstoorde balans tussen proteases en antiproteases voor de destructie van de longblaasjes. Exacerbaties, vaak veroorzaakt door infecties, zijn een plotse escalatie van de symptomen. Deze exacerbaties leiden vaak tot een verandering van de medicatie en dragen bij aan de progressie van de ziekte. De belangrijkste risicofactor voor de ontwikkeling van COPD is het roken van sigaretten, maar ook onder andere infecties, genetische achtergrond en luchtvervuiling spelen hierbij een belangrijke rol. De behandeling van deze ziekte legt momenteel vooral de nadruk op het bestrijden van de symptomen door het toedienen van bronchodilatoren die worden aangevuld met azitromycine of corticosteroïden bij patiënten die veel exacerbaties ervaren. Deze therapieën zijn voorlopig echter onvoldoende en er is nog steeds een grote nood aan effectievere anti-inflammatoire en antimicrobiële therapieën.

Omwille van de immunomodulatoire effecten van vitamine D, werd het effect van vitamine D in COPD getest zowel in preklinische als klinische setting. Vitamine D vertoonde anti-inflammatoire en antimicrobiële effecten bij alveolaire macrofagen van rokers en niet-rokers en orale vitamine D supplementatie reduceerde de frequentie van exacerbaties met 45% in COPD patiënten met ernstige vitamine D deficiëntie. Een eerste doel van deze thesis was om een overzicht te maken van gerandomiseerde gecontroleerde studies die het effect van vitamine D supplementatie in longziekten, zoals tuberculose, mucoviscidose, astma, longontsteking en COPD beschrijft. Vitamine D supplementatie had geen voordelig effect op de long in tuberculose, longontsteking en mucoviscidose terwijl dit wel het geval was voor patiënten met astma en voor patiënten met COPD met ernstige vitamine D deficiëntie.

Er is tot op heden weinig informatie over het vitamine D metabolisme, dat de lokale vitamine D concentraties beïnvloedt in de long en luchtwegen van COPD patiënten. Bovendien was ook de lokalisatie van belangrijke factoren hiervan (activerend enzyme CYP27B1, de vitamine D receptor en inactiverend enzyme van vitamine D CYP24A1) nog onvoldoende onderzocht. Daarom hebben we de lokalisatie en het verschil in expressie van deze factoren onderzocht in 10 longen van niet-gebruikte donoren en 10 COPD longen verkregen na transplantatie. Hoewel geen verschil in expressie gevonden werd tussen controle longen en longen van COPD-patiënten voor het activerend en inactiverend enzyme van vitamine D (respectievelijk CYP27B1 en CYP24A1), was de eiwitconcentratie van de vitamine D receptor beduidend lager in de longen van COPD patiënten. Dit verschil in expressie leidde niet tot een verschil in expressie van cathelicidine, een antimicrobieel peptide waarvan de expressie afhangt van het effect van de vitamine D receptor. Terwijl de vitamine D receptor en CYP27B1 vooral tot expressie kwamen in het bronchiaal epitheel, kwam CYP24A1 ook tot expressie in endotheel. Dit doet ons vermoeden dat vitamine D al geïnactiveerd kan worden alvorens het kan interageren met doelwit cellen zoals epitheelcellen en alveolaire macrofagen in de long. Bovendien was expressie van CYP27B1 en CYP24A1 evenredig verdeeld over de verschillende epitheliale lagen. Dit in contrast met de vitamine D receptor, die enkel tot expressie kwam in de apicale epitheelcellen en niet in basale cellen. Deze studie toonde aan dat vitamine D actief is in de long en het bronchiaal epitheel en dat het bronchiaal epitheel, dat een sleutelrol speelt in de pathogenese van COPD, een potentieel doelwit is voor behandeling met vitamine D, zeker via inhalatie.

Daarom hebben we bronchiale epitheelcellen blootgesteld aan een extract van sigarettenrook en aan vitamine D. We maakten hierbij niet alleen gebruik van een cellijn van bronchiale epitheelcellen maar ook van primaire cellen geïsoleerd uit de bronchus van niet-gebruikte donoren en longen van COPD patiënten na transplantatie. Vitamine D vertoonde antimicrobiële effecten door de opregulatie van het antimicrobiële peptide cathelicidine en mogelijks via opregulatie van iNOS. Een anti-inflammatoir effect van vitamine D was aanwezig voor de cellijn van bronchiale epitheelcellen, maar dit werd niet bevestigd in de primaire culturen, mogelijks door technische limitaties.

Ter conclusie, de behouden expressieprofielen van het vitamine D metabolisme in de longen van COPD patiënten samen met hun lokalisatie en de voordelige antimicrobiële en mogelijks anti-inflammatoire effecten van vitamine D suggereren dat vitamine D supplementatie via inhalatie mogelijks voordelig is voor patiënten met COPD.

Dit project zal de rol van vitamine D en azithromycine op het primaire, aangeboren immuunsysteem nagaan in een in vitro model van co-culturen die de kleine luchtwegen nabootsen. Een co-cultuur systeem zal ons de mogelijkheid geven om de interactie tussen verschillende belangrijke celtypes te bestuderen en de anti-inflammatoire en antimicrobiële  effecten van azithromycine en vitamine D te ontwarren alsook het effect op het veranderen van de luchtwegen. Hiervoor zal een co-cultuur bestaande uit twee lagen worden blootgesteld aan externe stressfactoren (sigarettenrookextract, immuun suppressiva, bacteriële delen en specifieke cytokines) waarbij verschillende parameters zullen worden bestudeerd (epitheliale integriteit, pro-inflammatoire pathways, vrijzetten van herstelfactoren en antimicrobiële verdediging). Ten slotte zullen sleutelexperimenten worden herhaald in co-culturen van primaire cellen (epitheliale cellen en macrofagen) verkregen van patiënten.