MUCUS HYPERSECRETION AND CHRONIC RESPIRATORY DISEASE

Hypersecretie van slijm in de luchtwegen draagt in belangrijke mate bij tot morbiditeit en mortaliteit bij veel patiënten met ernstige chronische longziekten, zoals chronische longobstructieve ziekte (COPD), astma en cystische fibrose.35 Overtollig slijm in de luchtwegen kan de luchtstroom beperken; en de aanwezigheid ervan is een bijzondere risicofactor voor patiënten met COPD die vatbaar zijn voor infecties op de borst. COPD is een ernstige chronische ontstekingsziekte van de luchtwegen die drie aandoeningen omvat, namelijk chronische bronchitis (langdurige slijmafscheiding in de luchtwegen), aandoeningen van de kleine luchtwegen en emfyseem.36 Wereldwijd neemt de prevalentie en de economische last ervan toe.37,38 Bij COPD hebben patiënten met chronische slijmafscheiding een significant verhoogd risico op ziekenhuisopname en overlijden in vergelijking met patiënten zonder een duidelijke bronchitische component.39,40 De huidige behandelingen voor COPD zijn palliatief en stoppen de ziekteprogressie niet,41 en er is geen specifieke behandeling voor de mucus hypersecretie.42 Bij gebrek aan een effectieve therapie voor enig aspect van de COPD pathofysiologie, is de ontwikkeling van behandelingen voor mucus hypersecretie gerechtvaardigd. Het vermogen om slijm uit de longen te verwijderen, via de beweging van de cilia in de luchtwegen, hangt af van de viscositeit en de elasticiteit van het slijm. Deze eigenschappen worden bepaald door het aandeel mucine glycoproteïnen, in gewicht, dat het slijm bevat.43 MUC5AC en MUC5B zijn de belangrijkste mucines in zowel normale als pathologische menselijke luchtwegsecreties.44 Bij patiënten met COPD zijn de gehalten van de mucines MUC5AC en MUC5B in het respiratoire slijm verhoogd, hoewel verhoudingsgewijs meer MUC5B wordt uitgescheiden.45 Mucines worden in de luchtwegen uitgescheiden door gobletcellen in het epitheel en seromucous glands in de submucosa.43 Een mogelijkheid om de slijmsecretie te remmen is gebruik te maken van de remmende activiteit van de clostridiale neurotoxine endopeptidasen op de fusie van blaasjes, gericht op de mucine-afscheidende cellen van de luchtwegen met behulp van een geschikt targeting ligand.

Om te onderzoeken of een geschikt gericht clostridiaal endopeptidase SNARE-eiwitten zou klieven in menselijke respiratoire epitheelcellen, en daardoor de mucussecretie zou remmen, werd een fusie-eiwit gegenereerd uit een recombinant gen dat codeert voor het LHN-domein van BoNT/C en EGF, EGF-LHN/C genaamd, om EGF-receptoren op de mucine-afscheidende cellen aan te spreken.34 EGF werd gekozen als prototype ligand voor de creatie van een dergelijk fusie-eiwit omdat EGF-receptoren aanwezig zijn op menselijke respiratoire epitheelcellen46,47 en een verhoogde concentratie vertonen in het luchtwegepitheel van patiënten met astma en COPD,48 alsook rokers.49 Het recombinante fusie-eiwit EGF-LHN/C splitst het relevante SNARE-eiwit syntaxine in een menselijke mucoepidermoïd-metastatische cellijn, H292 cellen, in vitro op een concentratie-afhankelijke wijze.34 Het voorbehandelen van H292 cellen met EGF-LHN/C remt de gestimuleerde afgifte van mucine in reactie op een gecombineerde stimulus van EGF en tumor necrose factor-α (TNFα) op een concentratie-afhankelijke wijze, met een IC50 van ongeveer 0,4 nM (Fig. 28-1). Dit komt goed overeen met het eerder gerapporteerde remmende effect van EGF-LHN/C op gestimuleerde mucine-afgifte van een andere respiratoire epitheelcellijn, de humane type II alveolaire cellijn A549, in reactie op dezelfde stimulus.34 In beide celtypen was er geen aantoonbaar effect van EGF-LHN/C op het basale niveau van mucine secretie. De remming van de mucinesecretie door EGF-LHN/C is toe te schrijven aan de doelgerichte toediening van zijn endopeptidaseactiviteit via de EGF-receptor, en is niet het resultaat van celcytotoxiciteit of receptorantagonisme of -downregulatie.34 EGF-LHN/C is ook in staat de gestimuleerde mucine-afgifte uit A549-cellen te remmen als reactie op een stimulerende cocktail van cytokinen, een combinatie van 1 ng/mL interferon (IFN)-γ, TNFα, en interleukine (IL)-1β, cytomix genaamd (fig. 28-2). Het effect van EGF-LHN/C op de gestimuleerde mucinevrijgave uit respiratoire epitheelcellen is dus onafhankelijk van de precieze aard van de gebruikte stimulus. Histologisch onderzoek toont aan dat het mucine in de behandelde cellen wordt vastgehouden (Fig. 28-3). Controle cellen bevatten gekleurd intracellulair mucine, terwijl gestimuleerde cellen een duidelijk verminderde kleuring vertonen, wat wijst op mucine secretie. Gestimuleerde cellen die voorbehandeld zijn met EGF-LHN/C vertonen behouden intracellulaire kleuring, wat duidt op remming van de secretie door EGF-LHN/C. Om de reactie van de cellen op deze intracellulaire mucine-retentie te beoordelen, werd het effect van EGF-LHN/C voorbehandeling op MUC5AC mRNA niveaus gemeten als een indicator van mucine-synthese. EGF-LHN/C voorbehandeling gaat gepaard met een concentratie-afhankelijke remming van EGF-TNFα-geïnduceerde MUC5AC mRNA expressie, met een IC50 waarde van ∼0.1 nM (Fig. 28-4). Net als bij de remming van gestimuleerde mucine-afgifte uit de cellen is dit effect van EGF-LHN/C toe te schrijven aan de gerichte afgifte van zijn endopeptidase-activiteit via de EGF-receptor, omdat noch een LHN/C zonder EGF-ligand om het op de EGF-receptor te richten, noch een gemuteerde vorm van het fusie-eiwit waarin het endopeptidasedomein is geïnactiveerd door drie residuveranderingen in de katalytische regio (EGF-TE-LHN/C) de expressie van MUC5AC mRNA remt. Dit effect van EGF-LHN/C op de expressie van MUC5AC mRNA suggereert het bestaan van een mogelijk negatief terugkoppelingsmechanisme tussen mucine-afgifte en mucinesynthese in respiratoire epitheelcellen, en ook dat de genexpressie dereguleert als reactie op remming van de secretie door een recombinant clostridiaal endopeptidase.

Recombinante clostridial endopeptidase fusie-eiwitten die de mucussecretie kunnen remmen, zoals EGF-LHN/C, hebben het potentieel voor ontwikkeling als therapeutische eiwitten voor de behandeling van COPD, chronische bronchitis, cystische fibrose, en andere chronische respiratoire aandoeningen waarbij sprake is van overmatige slijmproductie in de luchtwegen. De langdurige activiteit van het eiwit zou betekenen dat het product slechts sporadisch hoeft te worden geïnhaleerd, waardoor het zeer geschikt is voor de behandeling van dit soort chronische ademhalingsziekten.