Characterization of the pulmonary and systemic immune response in relation with lung stem cells in patients with COPD

Abstract

RATIONALE: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by chronic airflow limitation caused by a combination of airways disease (bronchiolitis) and parenchymal destruction (emphysema), whose relative proportion varies from patient to patient. An abnormal immune response to tobacco smoke is one of the main factors, both in the lungs and circulating blood. Both the relation between the pulmonary and systemic inflammation and the regenerative capacity of the lung are also unclear.

OBJECTIVES: Divided into 3 specific objectives: 1. To explore and contrast the molecular pathogenesis of emphysema and bronchiolitis in COPD. 2. To characterize and contrast the cellular pulmonary and systemic immune response in COPD patients and healthy controls smokers and non-smokers. 3. To identify, characterize and compare the immunomodulatory capacity of a putative resident stem cell population in the lung.

METHODS: For the first objective differential expression and gene co-expression in bronchiolitis and emphysema were analyzed by lung transcriptomics. For the second, flow cytometry from lung tissue and blood was performed to evaluate the cellular immune response. For the third objective, a new cell culture methodology was developed.

RESULTS: Specific results for each objective 1. Emphysema signature is different from bronchiolitis with an up-regulated expression of ontologies related with B-cell homing and activation. 2. The lung of mild COPD patients has increase macrophages and decrease T lymphocytes associated to both COPD and smoking status, that is not co-related with systemic immune response. 3. A putative lung resident stem cell population was identify with transcriptional signature of mesenchymal origin and immunomodulatory properties.

CONCLUSIONS: The lung immune response is heterogeneous and associated with both the lung regenerative capacity and the clinical heterogeneity/complexity of COPD.

INTRODUCCIÓN: La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se caracteriza por una limitación crónica del flujo aéreo causada por una combinación de enfermedad de las vías aéreas (bronquiolitis) y destrucción del parénquima (enfisema). La contribución relativa de cada patología varia entre pacientes. Un respuesta anormal y exagerada frente al humo del tabaco es uno de los principales factores de riesgo. La relación entre la respuesta inmune pulmonar y sistémica y la capacidad regenerativa del pulmón no se encuentran determinadas.

OBJETIVOS: Hay 3 objetivos específicos: 1. Comparar las diferencias moleculares entre la patogénesis del enfisema y la bronquiolitis en la EPOC. 2. Caracterizar y comparar la respuesta inmune celular a nivel pulmonar y en sangre periférica en pacientes con EPOC y controles sanos fumadores y no fumadores. 3. Identificar, caracterizar y comparar la actividad inmunomoduladora de una población de células madre residentes en pulmón.

MÉTODOS: Para el primer objetivo la expresión diferencial y la co-expresión de los genes se realizó mediante análisis del transcriptoma pulmonar. Para el segundo, se utilizó citometría de flujo para la determinación celular de las poblaciones de la respuesta inmune en pulmón y sangre. Para el tercer objetivo, se ha desarrollado una nueva metodología de cultivo celular. RESULTADOS: Resultados específicos por objetivos 1. La caracterización molecular es diferentes entre la bronquiolitis y el enfisema con un incremento en la expresión de genes relacionados con la activación y movilidad de los linfocitos B. 2. El pulmón de los pacientes con EPOC leve contiene un incremento de macrófagos y una reducción de linfocitos T asociada tanto a la EPOC como al consumo de tabaco. 3. Se ha identificado una población de células madre residentes en pulmón con una transcriptómica de origen mesenquimal y propiedades inmunomoduladoras. CONCLUSIONES: la respuesta inmune pulmonar es heterogénea y está asociada tanto con la capacidad regenerativa como con la complexidad de la EPOC.