Early mechanisms of allograft fibrosis - role of matricellular proteins

Arrdannelse eller fibrose er knyttet til svikt av organfunksjon. Denne tilstanden defineres av en overdreven irreversibel opphopning av kollagenrikt bindevev i områder med betennelse eller annen vevsskade. Målet med dette prosjektet var å forstå mekanismer bak fibroseutvikling i nyretransplantater med hovedvekt på rollen av interleukin-33 (IL-33) og ekstracellulære matriksproteiner. Vi har i våre studier vist at uttrykket av de matricellulære proteinene tenascin C og periostin i biopsier fra humane nyretransplantater er assosiert med inflammasjon og påfølgende fibroseutvikling. Tenascin C ble indusert av IL-33 og IL-1a i dyrkede endotelceller fra navlesnor. Tenascin C og periostin forsterket videre effekten av IL-33- eller IL-1-indusert aktivering av endotelceller. Våre data kan tyde på at IL-33 og IL-1a, sammen med tenascin C og periostin kan danne en selv-forsterkende loop av vedvarende inflammasjon som kan føre til fibroseutvikling. (Hammarström et al, manuskript submittert). Mange studier tyder på en rolle for IL-33 i fibroseutvikling. Spesielt har IL-33-indusert produksjon av IL-13 vist seg å være avgjørende i både startfasen og senere utvikling av fibrose i hud og lever. For å undersøke om IL-33 har en rolle også i nyrefibrose, brukte vi en eksperimentell nyrefibrosemodell (unilateral obstruksjon av ureter/ UUO). Vi sammenliknet transkriptomet («microarray») i nyre fra mus som mangler IL-33 med vill-type mus som har bevart IL-33 uttrykk. Våre funn viste en sterkere effekt av TGF-beta signalering i fravær av IL-33. For å undersøke dette nærmere fjernet vi IL-33 mRNA i dermale fibroblaster før eksponering av TGF-beta, hvoretter vi observerte en sterkere respons til TGF-beta i fibroblaster som manglet IL-33. Dette samsvarte med data fra in vivo-forsøkene. Vi brukte deretter en sårtilhelings-modell i musøre hvor vi i motsetning til data fra nyrefibrose-modellen isteden fant økt uttrykk av ekstracellulær matriks proteiner som f.eks. kollagener i mus vill-type mus sammenliknet med mus som mangler IL-33. I musehud observerte vi dog tidlig økt uttrykk av IL-33 i kjernen av epitelcellene, men ikke i de aktiverte fibroblastene (myofibroblastene), etter vevsskade. IL-33 kan potensielt kunne frigjøres fra ødelagte celler og virke som et alarmin. I tillegg observerte vi at TGF-beta forsterket effekten av proinflammatoriske cytokiner i form av økt uttrykk av IL-33 i kjernen av dyrkete fibroblaster. På den andre siden kunne IL-13 nærmest helt hemme de proinflammatoriske cytokinenes induksjon av IL-33 i fibroblaster. Ut fra disse data foreslår vi følgende hypotese for IL-33s rolle i myofibroblast-funksjon: Det inflammatoriske miljøet sammen med TGF-beta kan indusere IL-33 uttrykk i kjernen av myofibroblaster, med påfølgende hemming av transkripsjonen av profibrotiske gener hvilket bidrar til å forhindre overdreven produksjon av ekstracellulær matriks. Dersom cellene er skadet, vil IL-33 isteden kunne frigjøres fra kjernen, virke som et alarmin og aktivere immunceller til å produsere IL-13. IL-13 vil hemme IL-33 utrykket i kjernen i nærliggende celler og således motvirke den hemmende effekten av IL-33 på TGF-beta signalering. Våre funn viser at IL-33 potensielt vil kunne regulere TGF-betas profibrotiske funksjon gjennom å endre responsen fra en fibrose-fremmende alarmin funksjon til en mer balansert vevsskade/tilheling-respons. Det er økende erkjennelse i innenfor flere medisinske områder at fibrose eller arrdannelse i organer, definert som overdreven opphopning av ekstracellulær matriks komponenter, bidrar til funksjonstap og er en av de ledende årsakene til morbiditet og mortalitet. Innen nyretransplantasjon, er kronisk allograft dysfunksjon og grafttap fortsatt en aktuell problemstilling til tross for betydelig forbedring av immunsuppresjons-protokollene. Et fremtredende trekk i slike graft er utviklingen av interstitiell fibrose og tubulær atrofi. Selv om mekanismene som fører til fibrose tildels er kartlagt, finnes få behandlingsstrategier som er spesifikt rettet mot disse. Vårt prosjekt handlet hovedsakelig om å forstå mekanismene som fører til utvikling av fibrose i nyretransplantater. Det er avgjørende å få mer kunnskap om denne patogenesen av to grunner: 1. Det kan hjelpe oss å identifisere pasienter som har høy risiko å utvikle fibrose, da det til dels fortsatt er uklart hvorfor noen nyrer opprettholder stabil funksjon over tid mens andre utvikler fibrose. 2. Det kan hjelpe oss å utvikle nye terapeutiske angrepspunkter. Eksisterende anti-fibrotiske og anti-proliferative medikamenter kan forsinke sårtilhelingen post-operativt. Behovet for en effektiv tilnærming er også avgjørende da grafttap ikke bare er ødeleggende for pasienten men også forlenger ventelisten for de som har behov for nyretransplantasjon. Vi har i våre studier vist en sammenheng mellom inflammation og akkumulering av matricellære proteiner (tenascin C og periostin) i nyrebiopsier tatt 8 uker etter transplantasjon. Høye nivåer av tenascin C i disse biopsiene var signifikant assosierte med økt fibrose etter et år. Disse funnene peker på at disse proteiner potensielt kan brukes som biomarkører for skade i nyretransplantater. En annen mulig tillempning kan være bruk av monoklonale antistoffer rettet mot tenascin C eller periostin for målrettet leveranse av bioaktive molekyler som beskrevet av Silacci og medarbeidere i Protein Engineering, Design and Selection, 2006. Behandlingsstrategier rettet mot TGF-beta signalering er også relevant siden TGF-beta signaleringsveien er vesentlig for matriks deposisjon som også er involvert i kontrollen av regulatoriske T celler og toleranseutvikling. Som vist i resultatdelen, kan våre funn tyde på at IL-33 regulerer den profibrotiske effekten av TGF-beta og at IL-33 påvirker responsen gjennom å veksle fra en fibrose-fremmende funksjon til en mer balansert vevsskade/tilheling-respons. Dette åpner opp muligheten for å blokkere IL-33 og/eller interaksjonen med reseptoren til IL-33 for å hemme de profibrotiske effektene av TGF-beta. Samlet sett danner våre funn grunnlag for videre forskning som kan forbedre diagnose og behandling av fibrose.