The effect of immunoageing on the susceptibility to cigarette smoke induced COPD

Günter, Stefanie (2017): The effect of immunoageing on the susceptibility to cigarette smoke induced COPD. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is known to be closely linked to cigarette smoke exposure, or to be more precise, to the abnormal inflammatory response caused by inhalation of cigarette smoke or, rarely, of other inhalative noxes. The effects of cigarette smoke most often include the development of emphysema and chronic bronchitis leading to decline in lung function and subsequently to the loss of life quality and life time. Chronic inflammation, which plays a major role in the development of COPD can mainly be attributed to progressive activation of immune cells, which increases with exposure time. It was also shown that immune function changes with age, sometimes leading to overreactions. These changes on the one hand lead to the increase of autoimmune diseases, on the other hand they also predispose to immunodeficiencies. But even now, the immune system and especially its changes with age are still not fully understood. Since increased inflammatory response plays an important role in the development of COPD, we hypothesized that in a mouse model for the development of COPD by chronic cigarette smoke exposure, the pathogenesis of COPD is characterized by an elevated immune response in aged mice compared to young animals. To proof our hypothesis, female C57BL/6 mice aged 2 and 12 months were exposed to cigarette smoke with a concentration of 500 mg/m3, using a smoking chamber to create full body exposure and mimic human smoking habits. Exposure was performed twice a day for 50 min for three months. Control animals were handled, but only exposed to filtered air. Differential cell counts and inflammatory cell recruitment were performed using FACS on bronchoalveolar lavage and homogenates of whole lung tissue respectively. Other parameters for disease progression that were considered were lung function and emphysema development (by use of a stereological tool). We have found a decline in lung function due to cigarette smoke in old animals after 3 months of cigarette smoke exposure (demonstrated by an increase in lung compliance), while there were still no changes in lung function of the younger animals. Further analysis also showed an enlargement of alveolar space and an increase in airway collagen in old cigarette smoke exposed mice, that could not be found in the younger animals. Furthermore, we discovered an increase in tertiary lymphoid structures (iBALT) in the lung tissue of old cigarette smoke exposed animals only, which led to our hypothesis, that the changes in lung structure and function occured due to immunoageing. Therefore, we analysed different cell lines to find changes due to cigarette smoke exposure and age. Differential cell counts of BAL cytospins revealed significantly higher lymphocyte levels in aged animals, whereas comparable increases in macrophage and neutrophil numbers for all CS-exposed mice were observed. In old animals, we found an increase in Th17 positive T-helper cells due to cigarette smoke exposure. An increase in the amount of these cells has been described to show a strong correlation with decline of lung function. Additionally, staining for MMP12 in lung tissue revealed significantly higher macrophage accumulation and activation in CS-exposed aged mice, which was in accordance with increased MMP12 mRNA expression and an elevated MMP12/TIMP1 ratio. COPD-like changes in the lungs of mice were only observed in the lungs of the older animals at this timepoint. Correspondingly macrophage levels as well as Th17 cell levels were only increased in the older cigarette smoke exposed animals. This leads us to the conclusion, that the difference in lung damage due to cigarette smoke exposure in old vs. young animals can indeed be explained by differences in the immune reaction.

Abstract

Es ist bekannt, dass das Auftreten der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) eng mit dem Zigarettenrauchen verknüpft ist. Um genauer zu sein, ist es zurückzuführen auf die abnormale Immunantwort auf den Zigarettenrauch, oder selten auch auf andere inhalatorische Noxen. Die Folgen von Zigarettenrauchen sind unter anderem die Entwicklung von Lungenemphysem und chronischer Bronchitis, die zu einer Verschlechterung der Lungenfunktion und damit zu einem Verlust von Lebensqualität und Lebenszeit führen. Die chronische Entzündung, die eine der Hauptrollen in der Entwicklung der COPD spielt, ist vor allem der progressiven Aktivierung von Immunzellen zuzuschreiben. Diese steigt mit der Expositionszeit. Es wurde bereits gezeigt, dass das Immunsystem sich im Alter verändert, und teilweise überreagiert. Ein Beispiel hierfür ist das häufigere Auftreten von Autoimmunerkrankungen im Alter. Andererseits prädisponiert ein höheres Alter auch für Immundefekte. Allerdings sind das Immunsystem und vor allem seine Veränderungen mit dem Alter noch immer nicht gänzlich erforscht. Da eine gesteigerte Immunantwort eine wichtige Rolle in der Entwicklung der COPD spielt, haben wir angenommen, dass in einem Mausmodell die Exposition mit Zigarettenrauch zu der Entwicklung einer COPD führt. Die Pathogenese der COPD sollte durch eine gesteigerte Immunantwort der älteren Tiere im Vergleich mit den Jüngeren charakterisiert sein. Um unsere Hypothese zu prüfen haben wir weibliche C57BL/6 Mäuse im Alter von 2 und 12 Monaten Zigarettenrauch mit einer Konzentration von 500 mg/m3 ausgesetzt. Hierfür haben wir eine Rauchkammer benutzt, um eine Exposition des ganzen Körpers der Mäuse zu erreichen und damit menschliches Rauchverhalten möglichst genau abzubilden. Die Exposition wurde 3 Monate lang, zweimal täglich für je 50 min durchgeführt. Die Kontrolltiere wurden umgesetzt, aber nur gefilterter Luft ausgesetzt. Differenzierte Zellzählungen und die Analyse von Entzündungszellen wurde mittels eines FACS-Geräts an der bronchoalveolaren Lavage und dem homogenisierten Lungengewebe durchgeführt. Die anderen Parameter, die für die Analyse des Fortschreitens der Erkrankung herangezogen wurden, waren die Bestimmung von Lungenfunktion und die Emphysementwicklung (diese wurde mit Hilfe eines stereologischen Werkzeugs bestimmt). Nach 3-monatiger Exposition fanden wir eine Verschlechterung der Lungenfunktion durch Zigarettenrauch bei den älteren Tieren nach 3 Monaten Exposition (was sich durch einen Anstieg der Lungencompliance zeigte), während sich bei den jungen Tieren noch keine Veränderungen zeigten. Weitere Untersuchungen zeigten eine Vergrößerung der Alveolarräume, sowie die Vermehrung von Collagen in den Wänden der Atemwege. Diese Veränderungen ließen sich bei den jüngeren Tieren nicht nachweisen. Zudem fanden wir eine Vermehrung von tertiären lymphoiden Strukturen (iBALT), die sich nur im Lungengewebe der älteren berauchten Mäuse nachweisen lässt. Dies führte uns zu der Hypothese, dass die Veränderungen von Lungenstruktur und -funktion durch die altersbedingten Veränderungen des Immunsystems bedingt sind. Daher überprüften wir verschiedene Zelllinien auf durch Alter und Zigarettenrauch bedingte Unterschiede. Differenzierte Zellzählungen aus der BAL zeigten signifikant erhöhte Lymphozyten-Level bei den älteren Tieren, während die Vermehrung von Makrophagen und Neutrophilen in allen berauchten Gruppen zu finden war. Bei den älteren Tieren fanden wir einen durch Zigarettenrauch verursachten Anstieg der Th17 positiven T-Helfer Zellen. Eine Vermehrung dieser Zellen zeigte eine starke Korrelation mit einer Verschlechterung der Lungenfunktion. Die immunohistochemische Färbung des Lungengewebes mit einem MMP12-Antikörper zeigte eine erhöhte Rekrutierung und Aktivierung von Makrophagen bei berauchten Mäusen. Dies zeigte sich auch in einer erhöhten MMP12-mRNA Expression und einem erhöhten MMP12/TIMP1 Verhältnis. COPD-typische Veränderungen zeigten sich zum Untersuchungszeitpunkt nur in den Lungen der berauchten älteren Mäuse. Damit übereinstimmend fanden wir nur bei den älteren berauchten Mäusen eine Vermehrung von Makrophagen und Th17-Zellen. Dies führt uns zu dem Schluss, dass die unterschiedlichen Ausmaße der Lungenschädigung durch Exposition mit Zigarettenrauch bei älteren und jüngeren Mäusen durchaus durch Unterschiede in der Immunreaktion erklärt werden können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 1. Juni 2017
• 1. Bericht­erstatter:in: Eickelberg, Oliver