Abstract
Silicose is wereldwijd de meest voorkomende pneumoconiose, met een hogere prevalentie en incidentie in ontwikkelingslanden. Tot op heden is er geen effectieve behandeling om de ziekteprogressie, veroorzaakt door silica-geïnduceerde longschade, te stoppen of om te keren. Er moet aanzienlijke vooruitgang geboekt worden om de morbiditeit en mortaliteit gerelateerd aan silicose te verminderen. In deze review hebben we de belangrijkste werkingsmechanismen belicht die longschade door silicade veroorzaken en hebben we de gegevens samengevat betreffende de therapeutische belofte van celtherapie voor silicose.
1. Inleiding
Het industrialisatieproces verhoogde gestaag de beroepsmatige blootstelling van arbeiders aan inhaleerbare deeltjes in vele werkomgevingen. Onder deze deeltjes speelt siliciumdioxide, of silica, een belangrijke rol in de belasting van beroepsziekten van de luchtwegen. Inademing van silicadeeltjes veroorzaakt silicose: een hardnekkige ontsteking met granuloomvorming die leidt tot weefselremodellering en verslechtering van de longfunctie. Tuberculose, chronische obstructieve longziekten, en reumatoïde artritis zijn enkele veel voorkomende complicaties van silicose. Langdurige blootstelling aan silica kan ook longkanker veroorzaken. Tot op heden is de beschikbare behandeling van silicose gericht op het controleren van geassocieerde symptomen en comorbiditeiten en geen enkele therapie stopt of keert de ziekteprogressie om. In het eindstadium van de longziekte bezwijkt de patiënt aan de dood ten gevolge van respiratoir falen.
In de afgelopen decennia zijn veel inspanningen geleverd om inademing van silicastof door werknemers te voorkomen; silicose is echter nog steeds een volksgezondheidsprobleem over de hele wereld met een hogere prevalentie in ontwikkelingslanden. In Brazilië toonden Holanda en medewerkers een prevalentie van silicose aan van 33% bij mijngravers in de staat Ceará en meer dan 4.500 gevallen van silicose waren gerelateerd aan gouddelvers tussen 1978 en 1988 in de staat Minas Gerais . Momenteel worden in het hele land naar schatting meer dan 6 miljoen arbeiders dagelijks blootgesteld aan siliciumdioxide op verschillende werkterreinen. China meldde meer dan 500.000 silicosepatiënten tussen 1991 en 1995 met ongeveer 6.000 nieuwe gevallen en meer dan 24.000 sterfgevallen per jaar. In India worden 10 miljoen arbeiders blootgesteld aan silicastof met een hoog risico op het ontwikkelen van de ziekte
Silicose is ook een beroepsgezondheidsprobleem in ontwikkelde landen. Tussen 1990 en 1993 werden in Europa meer dan 3 miljoen werknemers blootgesteld aan silicadeeltjes, waarvan 600.000 in het Verenigd Koninkrijk. In de Verenigde Staten werden meer dan 100.000 werknemers blootgesteld aan silicastof en in de periode 1987-1996 waren er meer dan 3.500 nieuwe gevallen per jaar. De toepassing van beschermende maatregelen heeft geleid tot een daling van het aantal nieuwe gevallen van silicose en van het sterftecijfer. Silicose is echter nog steeds ongeneeslijk en er doen zich nieuwe uitbraken voor, zoals de blootstelling van werknemers van kwartsconglomeraten in Spanje, waarbij de mediane leeftijd van het cohort 33 jaar bedroeg. Bovendien is er een uitbreiding van het aantal werkomgevingen met mogelijke blootstelling aan silica stof, zoals jeans zandstralen en kwarts.
Een toenemend aantal artikelen heeft de werkzaamheid aangetoond van hetzij systemische of intratracheale toediening van stamcellen in verschillende diermodellen van longschade . Daarvan zijn de beenmergcellen het meest bestudeerd. Zij waren in staat om de reepithelisatie van het longparenchym te bevorderen, de immuunrespons te moduleren en de weefselremodellering te verminderen. Silicose heeft een uniek pathogeneseproces, waarbij de fagocytose en het vrijkomen van silica deeltjes in het longweefsel de ziekteprogressie aandrijven. Dit overzicht belicht de belangrijkste werkingsmechanismen van silica stof in de alveolaire omgeving en hoe celtherapie patiënten met silicose kan helpen door de ontsteking te moduleren, fibrose te verminderen en zo de longfunctie te verbeteren.
2. Pathogenese: The Cycle of Damage in Lung Tissue
Silica deeltjes die het mucociliary afweermechanisme in de luchtwegen overwinnen en de distale delen in de long bereiken, beginnen de pathogenese cascade. De meest pathogene deeltjes voor de mens zijn die kleiner dan 10 μm, omdat zij de aerodynamica bezitten die nodig is om bronchiolen en alveoli te bereiken.
Silicose wordt georkestreerd door een cyclus van fagocytose en het vrijkomen van deze deeltjes die leiden tot epitheliale schade, long remodellering, en vermindering van het gasuitwisselingsgebied. Door silica veroorzaakte longschade treedt op via vijf hoofdmechanismen (figuur 1): (1) directe cytotoxiciteit, (2) generatie van reactieve species, (3) productie van cytokines en chemokines, (4) fibrose, en (5) celdood door apoptose.
Silicadeeltjes hebben een piëzo-elektrische eigenschap, wat betekent dat de kristallen onder een bepaalde druk elektrische polariteit krijgen. Hierdoor is silicastof in staat directe cytotoxiciteit te veroorzaken. De deeltjes reageren met residente cellen en veroorzaken lipide peroxidatie van het membraan in bronchoalveolaire cellen. Nieuw gebroken deeltjes zijn het meest cytotoxisch, omdat ze in een waterig medium meer vrije radicalen kunnen genereren die het plasmamembraan verstoren en lysosomale enzymen vrijmaken, waardoor weefselschade ontstaat.
Reactieve zuurstofspecies (ROS) en reactieve stikstofspecies (RNS) zijn zeer reactieve chemicaliën die vaak worden geproduceerd voor het biologische afweersysteem tegen schadelijke stoffen. De interactie tussen alveolaire macrofagen en silica deeltjes veroorzaakt echter respiratoire uitbarstingen met hoog zuurstofverbruik, verhoogde niveaus van induceerbare stikstofoxide synthetiseren (iNOS), en productie van ROS, die schadelijk is voor longcellen . Onder de ROS/RNS speelt stikstofmonoxide een cruciale rol in de pathogenese van silicose. Stikstofmonoxide wordt gevormd uit de omzetting van het aminozuur L-arginine in L-citrulline in aanwezigheid van iNOS, dat vervolgens interageert met superoxide en peroxynitriet vormt dat mitochondriën en DNA beschadigt, en verschillende eiwitten inactiveert.
De oxidatieve stress activeert transcriptiefactoren, zoals de nucleaire factor kappa B (NF-κB) en activator protein 1 (AP-1) . Door de interactie van silica met macrofagen en epitheelcellen wordt NF-κB van het cytoplasma naar de kern getranslokeerd, waar het zich bindt aan het DNA, waardoor de transcriptie en translatie van genen die betrokken zijn bij ontstekings- en fibrogene processen op gang worden gebracht. Het vrijkomen van cytokines, chemokines, lipide mediatoren, en groeifactoren rekruteert polymorfonucleaire en mononucleaire cellen naar de alveolaire ruimten en rond de silica deeltjes, die bijdragen tot de vorming van granulomen.
Leukotriene B4 is een lipide mediatator die mastocyten produceren in reactie op silica stimulatie. Leukotrieen B4 verhoogt de hoeveelheid neutrofielen op de plaats van de ontsteking, en is ook betrokken bij tumorigenese. Verder zijn macrofaag inflammatoir proteïne (MIP-) 1 en MIP-2 chemokines die het aantal macrofagen doen toenemen als reactie op door silica geïnduceerde longschade. Macrofagen zijn de eerste cellen die in contact komen met silica deeltjes en deze interactie kan een reeks extracellulaire signalen activeren die leiden tot polarisatie van deze cellen. De M1 macrofagen zijn verantwoordelijk voor de antimicrobiële en ontstekingsreacties, en de cellen worden gepolariseerd tot dit fenotype in de aanwezigheid van iNOS. Macrofagen polariseren naar M2 fenotype in reactie op arginase, en in dit geval zijn ze betrokken bij het oplossen van ontstekingen en weefselherstel.
In alveolaire macrofagen, de scavenger receptoren- (SR-) A en MARCO (macrofaag receptor met collageen structuur) herkennen en fagocyteren de deeltjes om ze te verwijderen uit alveoli . Nochtans, verhoogt knock-out van MARCO de ontsteking na silica blootstelling bij muizen, ten gevolge van verhoogde lysosomale membraan permeabilisatie en inflammasoom activatie . Zodra silica het NLRP3 (NOD-like receptor, pyrin domain containing 3) inflammasoom activeert, vindt de splitsing van caspase-1 en productie van cytokines plaats, zoals interleukine- (IL-) 18 en IL-1β .
Tijdens silica-geïnduceerde ontsteking, scheiden epitheelcellen en alveolaire macrofagen IL-1α en IL-1β af, respectievelijk . Beide cytokines zijn betrokken bij de activatie van fibroblasten en de afzetting van collageen. IL-1α en IL-1β zijn agonisten, terwijl de IL-1-receptorantagonist (IL-1Ra) van nature voorkomt als reactie op ontstekingen en de effecten van IL-1 kan afremmen . Bovendien verhogen IL-1β en tumor necrose factor- (TNF-) α de expressie van IL-6, een andere mediator die betrokken is bij de ziekteprogressie.
De verhoogde expressie van TNF-α tijdens silicose leidt tot rekrutering en proliferatie van fibroblasten. TNF-α kan ook verbinding maken met de celdood receptor en de apoptose cascade starten. De knock-out van het Fas-ligand (FasL) bij muizen en het gebruik van anti-TNF antilichamen waren in staat om silica-geïnduceerde longschade te voorkomen.
Als fibroblasten eenmaal gerekruteerd zijn op de plaats van de beschadiging, induceert de transformerende groeifactor- (TGF-) β de afzetting van collageen, evenals een verhoogde productie van elastine. De verhoogde expressie van metalloproteasen- (MMP-) 2 en MMP-9 en remming van weefselremmer van metalloprotease- (TIMP-) 1 en TIMP-2 veroorzaken een longparenchym-herstructurering in het verloop van de ziekte. De toegenomen weefselschade veroorzaakt door silica deeltjes, de afbraak van extracellulaire matrix door MMP, en de verergering van concentrische afzetting van collageen zijn verantwoordelijk voor granuloom vorming en long remodellering die de longfunctie belemmert.
Het proces van apoptose is een gevolg van de mitochondriale disfunctie en verhoogde expressie van dood receptoren en hun liganden, zoals FasL en TNF . Naast de oxidatieve stress, leiden de silica deeltjes tot verlies van mitochondriaal membraanpotentiaal, wat gevolgd wordt door activering van caspase-9 en caspase-3 en DNA fragmentatie . Cellen geven chemotactische factoren af tijdens apoptose die nieuwe ontstekingscellen rekruteren, waardoor de ontsteking toeneemt. Belangrijk is dat macrofagen die apoptose ondergaan ook silica deeltjes vrijgeven aan het longparenchym, waar ze opnieuw gefagocyteerd worden door andere macrofagen, waardoor de cyclus van weefselschade wordt bestendigd
3. Behandeling van silicose: Nog steeds een onvervulde behoefte
Ondanks de verontwaardiging over de epidemiologische hardnekkigheid van silicose, is er weinig bereikt op het gebied van de ontwikkeling van een behandeling. Het onderzoek naar een bevredigende therapie voor silicose verloopt veel trager dan voor andere chronische longziekten. In de afgelopen 10 jaar zijn slechts twee geregistreerde klinische studies naar silicosebehandelingen afgerond, waardoor een leemte is ontstaan die met name door ontwikkelingslanden zoals Brazilië, India en China moet worden opgevuld, waar de prevalentie van silicose de beschikbaarheid van proefpersonen voor klinische tests vergemakkelijkt.
Behandeling van silicose bestaat uit het gebruik van bronchodilatatoren/hoestmedicatie, preventie van blootstelling aan irriterende stoffen en nauwgezette controle op infecties van de luchtwegen. Corticosteroïdtherapie kan worden gebruikt om bronchitis te verminderen en de symptomen te verlichten als kortetermijnbehandeling, maar de positieve effecten op lange termijn zijn niet bewezen; het heeft als nadeel dat het risico van infecties toeneemt. Op aluminium gebaseerde verbindingen werden uitvoerig bestudeerd vanwege hun vermogen om silicadeeltjes te bedekken, waardoor de reactiviteit van kristallen wordt verminderd en het longweefsel dus wordt beschermd. Ondanks de goede resultaten die in experimentele modellen werden bereikt, toonden klinische studies echter geen werkzaamheid of blijvende effecten van een behandeling met aluminium bij mensen aan. Polyvinyl-pyridine-N-oxide (PVNO), een polymeer dat cytoprotectieve effecten kan bevorderen in in vivo en in vitro modellen van door silica geïnduceerde fibrose, werd ook op grote schaal getest. Profylactisch en therapeutisch gebruik van PVNO leverde positieve resultaten op in diermodellen maar had weinig effect bij mensen. PVNO vertraagde de progressie van fibrose bij patiënten in één kleine klinische studie, maar veranderde de uitkomst drie jaar na de behandeling niet en had een beperkt therapeutisch effect afhankelijk van factoren, zoals leeftijd en ernst van de ziekte in een andere studie. Een ander geneesmiddel dat voor de behandeling van silicose is getest, is het plantaardige alkaloïde tetrandrine. Het wordt van oudsher gebruikt voor de behandeling van pneumoconiose in de Chinese geneeskunde, en het therapeutisch gebruik ervan voor silicose is goedgekeurd door de overheidsdienst voor geneesmiddelen van China. Tetrandrine alleen en in combinatie met andere geneesmiddelen is getest bij dieren en bij mensen. Echter, robuuste klinische studies met objectieve criteria zijn nog steeds nodig om de klinische werkzaamheid te bewijzen.
Omwille van de prominente rol van IL-1β in de pathofysiologie van silicose, zou het aanpakken van dit cytokine een interessante optie kunnen zijn voor de behandeling van silicose. In experimentele modellen resulteerde inhibitie van IL-1 in verminderde expressie van TGF-β1, collageen I, en fibronectine in de longen en ook verminderde fibrose en ontsteking in de nieren en het hart . Het gebruik van een IL-1 receptor antagonist verminderde ook de fibrose en de grootte van fibrotische knobbels bij muizen. Een enkel rapport over het gebruik van het geneesmiddel anakinra – een IL-1 receptor antagonist – toonde verbetering van de ademhalingssymptomen en merkbare verbetering van radiologische beelden na zes maanden behandeling bij een 37-jarige man.
Het spoelen van de gehele long lijkt een positieve invloed te hebben op de behandeling van silicose, de prognose van de patiënt te verbeteren en de longinfiltratie te verminderen, hoewel er geen bewijs is dat deze aanpak voldoende is om ziekteprogressie te voorkomen.
Andere benaderingen zijn getest in experimentele modellen: het gebruik van interferon gamma , ascorbinezuur , beta-aminopropionitril , relaxine , onderdrukkende oligodeoxynucleotiden , methylpalmitaat , N-acetyl-cysteïne , Dasatinib en Nintedanib , en het antagonisme/blokkade van IL-13 en IL-17A , alsmede het gebruik van het micro RNA miR-486-5p en gentherapie met een korte haarspeld RNA om β-catenine het zwijgen op te leggen . Al deze behandelingen hadden positieve effecten in diermodellen, met name vermindering van longfibrose, maar werden tot nu toe niet vertaald naar klinische studies.
Als laatste redmiddel wordt longtransplantatie geïndiceerd bij patiënten bij wie geen farmacologische opties meer bestaan. Niettemin is de langetermijnoverleving na transplantatie een slechte prognose.
4. Cell-Based Therapy: From Bench to Bedside
De eerste beenmergtransplantatie werd uitgevoerd in 1962, om de pas ontdekte hematopoietische stamcellen te gebruiken om het beenmerg van een patiënt weer de juiste fysiologie te geven.
In 1981 werden embryonale stamcellen beschreven door Evans en Kaufman als pluripotente cellen afkomstig van de inwendige massa van een muizenembryo, waardoor het paradigma voor het potentieel van stamcellen veranderde. Meer recent werden stamcellen en stam-achtige cellen gevonden in bijna alle volwassen weefsels . Celtransplantatie begon te worden beschouwd als een mogelijke behandeling voor meerdere ziekten, vanwege het potentieel van stamcellen om te differentiëren en beschadigde cellen in doelweefsels te vervangen. Bovendien bleek celtransplantatie gunstige effecten te hebben in meerdere ziektemodellen, onafhankelijk van cel homing of differentiatie, wat wijst op een paracrien/endocrien effect van de cellen.
Celtherapieën hebben het voordeel dat ze ontstekingen kunnen moduleren en tegelijkertijd het remodelleringsproces kunnen beïnvloeden, zonder toxiciteit of immunosuppressie te veroorzaken. Deze eigenschappen maken celtherapie tot een bijzonder voordelige therapeutische benadering voor fibrotische longziekten, waaronder silicose. Verschillende preklinische studies hebben deze benadering benut voor de behandeling van silicose (tabel 1).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| BMDC: beenmerg-afgeleide cellen; BMMC: beenmerg-mononucleaire cellen; BMSC: beenmerg-mesenchymale stromale cellen; HUES: menselijke embryonale stamcellen; i.t.: intratracheaal; i.v.: intraveneus. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
De meest uitvoerig bestudeerde volwassen celbron voor celtherapie is het beenmerg. Het beenmerg bevat een veelheid aan cellen in verschillende stadia van differentiatie. Onder deze cellen zijn hematopoietische stamcellen van bijzonder belang vanwege hun vermogen om te differentiëren in immuuncellen en om de proliferatie en activiteit van immuuncellen te moduleren. Niettemin zouden in de pool van in het beenmerg aanwezige cellen cellen die een primaire rol spelen bij de instandhouding, bevordering van de groei en overleving van andere cellen een nog sterker therapeutisch potentieel kunnen hebben. Deze cellen worden mesenchymale stromale cellen genoemd, en afgezien van hun stromale eigenschappen zijn zij ook multipotent . Zowel van de pool van mononucleaire cellen die in het beenmerg aanwezig zijn als van de stromale cellen alleen is aangetoond dat zij verbetering brengen in een breed scala van ontstekingsziekten. Bovendien heeft celtherapie positieve effecten opgeleverd in modellen van longfibrotische ziekten zoals astma, COPD, en door bleomycine geïnduceerde longfibrose . Klinische proeven met celtherapie voor longziekten vorderen, en studies zijn geregistreerd in Europa, Brazilië, Australië, Canada en de Verenigde Staten.
In 2009 publiceerde onze groep het eerste werk waarbij celtherapie werd toegepast in een murien model van silicose. Lassance et al. gebruikten een lokale infusie van een populatie van adherente mononucleaire cellen (BMDC) en evalueerden de effecten op twee tijdstippen. De resultaten toonden een vermindering van het ontstekingsproces dertig dagen na de behandeling, waardoor de longfunctie verbeterde; maar deze gunstige effecten leken binnen zestig dagen te vervagen. In 2013 werd een vervolg op deze studie gepubliceerd, waaruit bleek dat meervoudige doses BMDC de ziekteprogressie voorkomen. Twee infusies met beenmergcellen verminderden de ontsteking (fractionele oppervlakte van granuloom en aantal totale en M1 macrofagen), de longopbouw (TGF-β niveau, afzetting van collageen en elastische vezels), en apoptose (caspase-3 niveau en aantal apoptotische cellen). Al deze effecten resulteren in een verbetering van de longmechanische parameters. Een verhoogd niveau van IL-1Ra lijkt een rol te spelen in de aanhoudende celtherapie effecten voor een langere tijd in hetzelfde model van silicose.
In 2011, een studie waarbij de hele pool van beenmerg-afgeleide mononucleaire cellen (BMMC) in muizen werd gebruikt, toonde profylactische eigenschappen op silica-geïnduceerde longschade. De systemische infusie van BMMC verminderde de mRNA expressie van caspase-3, IL-1β, IL-1α, en TGF-β . Bovendien was een therapeutische behandeling met BMMC in een laat stadium van silicose in staat om longfibrose te verminderen en de longfunctie te verbeteren, maar slaagde er niet in om de ontsteking om te keren. Een vermindering van het aantal macrofagen ging gepaard met een expansie van T-regulerende cellen, die de cellulaire infiltratie in stand hielden, hoewel ze overgingen op een ander ontstekingsprofiel. BMMC bieden de voordelen van autologe transplantatie, die de kans op afstoting minimaliseren en het oogsten en infusie op dezelfde dag, zonder in vitro kweek expansie.
Deze resultaten moedigden ons aan om over te gaan tot een fase I klinische studie om de veiligheid van de autologe transplantatie van beenmerg mononucleaire cellen bij silicotische patiënten te testen. Vijf patiënten ondergingen BMMC-instillatie via bronchoscopie. Bij deze patiënten werden tot een jaar na de behandeling geen nadelige effecten waargenomen. De nadelen van het gebruik van beenmergmononucleaire cellen zijn de invasiviteit van de procedure – vooral gezien het feit dat meerdere doses nodig kunnen zijn voor een blijvend effect – en de variabiliteit van de samenstelling van het beenmerg. Chronische ontstekingsziekten kunnen de proporties van de beenmergcelpopulaties beïnvloeden, waardoor autologe transplantatie mogelijk heterogeen is bij verschillende patiënten en stadia van de ziekte.
Als alternatief daarvoor zouden mesenchymale cellen een interessante optie kunnen vormen voor celtherapie bij silicose. Zhao en medewerkers toonden aan dat beenmerg-afgeleide mesenchymale cellen (BMSC) verbetering van fibrose en ontsteking bevorderen in een rattenmodel van silicose, met mogelijk vergelijkbare mechanismen als die geassocieerd met BMMC therapie: onderdrukking van IL1 signalering via IL1-Ra en afname van TNF-α expressie.
Resultaten van een klinische studie met mesenchymale stromale cellen en een genetisch gemodificeerde cultuur van mesenchymale cellen werden onlangs gepubliceerd . In deze studie veroorzaakte de toediening van MSC geen bijwerkingen, en na zes maanden suggereert de oxyhemoglobinesaturatie in het bloed van de patiënten een verbetering van de gasuitwisseling in de longen. Bij sommige patiënten werd ook een afname van het aantal silicaknobbeltjes waargenomen.
Een andere kijk op de werkingsmechanismen van mesenchymale celtherapie bij door silica veroorzaakte longfibrose is voorgesteld door Choi et al. in 2014. De auteurs suggereren dat extracellulaire blaasjes die vrijkomen door BMSC vectoren zijn van het therapeutisch effect en op zichzelf gebruikt zouden kunnen worden als een behandeling .
Extra, celtherapie met embryonale cellen, als een bio-engineering benadering voor de reconstitutie van gewond epitheel is onderzocht in een model van silica-geïnduceerde schade en was in staat om fibrose te voorkomen en de mortaliteit te verminderen .
5. Conclusie
In het licht van het gebrek aan effectieve therapeutische interventies voor silicose, vormt celtherapie een veelbelovende behandeling voor silicose. De belangrijkste effecten van deze therapie zijn de vermindering van schadelijke proinflammatoire en profibrotische processen, de vermindering van apoptose, en de verbetering van het herstel na longschade. Deze gunstige effecten lijken onafhankelijk te zijn van celentransplantatie, maar te danken te zijn aan paracriene/endocriene actie (b.v. secretie van ontstekingsremmende, antifibrotische mediatoren, en extracellulaire blaasjes). Gezien het brede scala aan celtherapie opties, kan optimalisatie van celtherapie protocollen en vooruitgang in klinische studies leiden tot een belangrijke doorbraak voor de behandeling van de patiënten die getroffen zijn door deze hardnekkige ziekte.
Disclosure
De financiers hebben geen rol gespeeld in de beslissing om het artikel te publiceren of op te stellen.
Conflict of Interests
De auteurs verklaren geen belangenconflict te hebben.
Bijdrage van de auteurs
Miquéias Lopes-Pacheco en Elga Bandeira hebben een gelijke bijdrage aan dit werk geleverd.
Aankondigingen
De Braziliaanse Raad voor Wetenschappelijke en Technologische Ontwikkeling (CNPq), de Coördinatie voor de Verbetering van het Hoger Personeel (CAPES), en de Carlos Chagas Filho Rio de Janeiro State Research Foundation (FAPERJ) ondersteunden dit werk.