Asthma due to exposure to allergens and other environmental pollutants: inflammatory and immunologic response

Abstract

La contaminació atmosfèrica s'ha convertit en un problema crític per a la salut mundial, ja que contribueix significativament al desenvolupament i agreujament de les malalties respiratòries. Entre les fonts de contaminació atmosfèrica, el trànsit rodat constitueix la principal causa en les zones urbanes. Les emissions relacionades amb el trànsit estan conformades principalment per partícules de fuita dièsel (DEPs). Els DEPs indueixen estrès oxidatiu, inflamació i desregulació immunitària. Encara que s'han realitzat estudis sobre els efectes de la contaminació en malalties respiratòries com l'asma, sobretot en poblacions vulnerables com els nens i els ancians, les vies immunològiques específiques -especialment en individus sans- segueixen sense conèixer-se bé. Aquesta tesi doctoral pretén identificar els mecanismes pels quals l'exposició a la contaminació atmosfèrica indueix efectes nocius en individus amb malalties respiratòries cròniques, concretament asma, i comparar aquests mecanismes amb els quals afecten individus sans. En el capítol 1 es va determinar el potencial immunomodulador dels DEPs després d'una exposició a curt, mitjà i llarg termini en un model murino de ratolins sans. Es va determinar que els DEPs induïen una resposta immunitària en dues fases en els nostres ratolins sans. La primera fase, equivalent a una exposició curta a DEPs, es caracteritza per una disminució dels paràmetres funcionals pulmonars a causa d'un estat inflamatori mediat per respostes neutròfiles i eosinofíliques, que afecta principalment les vies respiratòries petites. Durant aquesta breu exposició, els macròfags alveolars (AM) fagocitan les DEPs embargament, amb una acumulació elevada de DEPs, els AM poden sofrir un esgotament que porti al reclutament de neutròfils, però que també indueixi una diferenciació dels monòcits inflamatoris en macròfags intersticials (EL MEU), la qual cosa podria culminar en un canvi de la subpoblació de macròfags i en un microambient proinflamatori. En la segona fase, els ratolins sans recuperen els paràmetres de funció pulmonar amb valors similars als dels ratolins no exposats, i ja no hi ha inflamació mediata per eosinofília-neutrofilia. Els macròfags residents en el teixit restant sofreixen un procés d'esgotament que pot culminar en la pèrdua de la seva capacitat fagocítica. En resposta, les cèl·lules dendrítiques (CD) substitueixen als macròfags en la regulació de la resposta immunitària, actuant com a intermediaris clau en el canvi d'una resposta innata a una adaptativa. L'exposició contínua al DEPs pot desencadenar mecanismes immunitaris que predisposen als individus sans a un microambient proinflamatori i hiperreactivo. El capítol 2 presenta els resultats d'un estudi prospectiu, observacional en la vida real realitzat en pacients asmàtics i un grup de control sa després d'una exposició de curta durada a dos ambients, un contaminat enfront d'un altre no contaminat, determinant la funció pulmonar, l'estrès oxidatiu i els biomarcadores inflamatoris i immunitaris. Aquest capítol aprofundeix en els diferents mecanismes pels quals la contaminació ambiental pot deteriorar la salut respiratòria no sols dels pacients asmàtics, sinó també de les persones sanes després d'una breu exposició a la contaminació atmosfèrica. No es van establir diferències en la funció pulmonar. No obstant això, es van determinar alteracions immunològiques significatives durant aquest capítol. En els individus sans, existeix una supressió adaptativa de l'activitat immunitària per a mitigar la inflamació excessiva desencadenada pels contaminants amb l'augment de quimioatrayentes (CXCL8 i CCL2) i citocines reguladores (IL7) i una reducció de les citocines remodeladoras de teixits (OSM i HGF). Per contra, els asmàtics presenten una resposta inflamatòria més marcada, mediada principalment per IL1β i IL15, probablement a causa de la inflamació crònica preexistent. Tots dos grups presentaven un mecanisme comú per l'augment de CSF2 i IL17F que conduïa a l'activació de macròfags, neutròfils i cèl·lules Th17.

La contaminación atmosférica se ha convertido en un problema crítico para la salud mundial, ya que contribuye significativamente al desarrollo y agravamiento de las enfermedades respiratorias. Entre las fuentes de contaminación atmosférica, el tráfico rodado constituye la principal causa en las zonas urbanas. Las emisiones relacionadas con el tráfico están conformadas principalmente por partículas de escape diésel (DEPs). Los DEPs inducen estrés oxidativo, inflamación y desregulación inmunitaria. Aunque se han realizado estudios sobre los efectos de la contaminación en enfermedades respiratorias como el asma, sobre todo en poblaciones vulnerables como los niños y los ancianos, las vías inmunológicas específicas -especialmente en individuos sanos- siguen sin conocerse bien. Esta tesis doctoral pretende identificar los mecanismos por los que la exposición a la contaminación atmosférica induce efectos nocivos en individuos con enfermedades respiratorias crónicas, concretamente asma, y comparar estos mecanismos con los que afectan a individuos sanos. En el capítulo 1 se determinó el potencial inmunomodulador de los DEPs tras una exposición a corto, medio y largo plazo en un modelo murino de ratones sanos. Se determinó que los DEPs inducían una respuesta inmunitaria en dos fases en nuestros ratones sanos. La primera fase, equivalente a una exposición corta a DEPs, se caracteriza por una disminución de los parámetros funcionales pulmonares debido a un estado inflamatorio mediado por respuestas neutrófilas y eosinofílicas, que afecta principalmente a las vías respiratorias pequeñas. Durante esta breve exposición, los macrófagos alveolares (AM) fagocitan las DEPs embargo, con una acumulación elevada de DEPs, los AM pueden sufrir un agotamiento que lleve al reclutamiento de neutrófilos, pero que también induzca una diferenciación de los monocitos inflamatorios en macrófagos intersticiales (MI), lo que podría culminar en un cambio de la subpoblación de macrófagos y en un microambiente proinflamatorio. En la segunda fase, los ratones sanos recuperan los parámetros de función pulmonar con valores similares a los de los ratones no expuestos, y ya no hay inflamación mediada por eosinofilia-neutrofilia. Los macrófagos residentes en el tejido restante sufren un proceso de agotamiento que puede culminar en la pérdida de su capacidad fagocítica. En respuesta, las células dendríticas (CD) sustituyen a los macrófagos en la regulación de la respuesta inmunitaria, actuando como intermediarios clave en el cambio de una respuesta innata a una adaptativa. La exposición continua al DEPs puede desencadenar mecanismos inmunitarios que predisponen a los individuos sanos a un microambiente proinflamatorio e hiperreactivo. El capítulo 2 presenta los resultados de un estudio prospectivo, observacional en la vida real realizado en pacientes asmáticos y un grupo de control sano tras una exposición de corta duración a dos ambientes, uno contaminado frente a otro no contaminado, determinando la función pulmonar, el estrés oxidativo y los biomarcadores inflamatorios e inmunitarios. Este capítulo profundiza en los distintos mecanismos por los que la contaminación ambiental puede deteriorar la salud respiratoria no sólo de los pacientes asmáticos, sino también de las personas sanas tras una breve exposición a la contaminación atmosférica. No se establecieron diferencias en la función pulmonar. Sin embargo, se determinaron alteraciones inmunológicas significativas durante este capítulo. En los individuos sanos, existe una supresión adaptativa de la actividad inmunitaria para mitigar la inflamación excesiva desencadenada por los contaminantes con el aumento de quimioatrayentes (CXCL8 y CCL2) y citocinas reguladoras (IL7) y una reducción de las citocinas remodeladoras de tejidos (OSM y HGF). Por el contrario, los asmáticos presentan una respuesta inflamatoria más marcada, mediada principalmente por IL1β e IL15, probablemente debido a la inflamación crónica preexistente. Ambos grupos presentaban un mecanismo común por el aumento de CSF2 e IL17F que conducía a la activación de macrófagos, neutrófilos y células Th17.

Air pollution has emerged as a critical global health issue, significantly contributing to the development and exacerbation of respiratory diseases. Among the sources of air pollution, road traffic constitutes the main cause in urban areas. Traffic-related emissions are conformed mainly by diesel exhaust particles (DEPs), which have been recognized by the World Health Organization (WHO) as one of the most harmful components of air pollution, as they penetrate the lungs producing a carcinogenic effect and disrupting immune and respiratory function. Concretely, DEPs induce oxidative stress, inflammation, and immune dysregulation. While studies have explored the effects of pollution on respiratory diseases such as asthma, particularly in vulnerable populations like children and the elderly, the specific immunological pathways—especially in healthy individuals—remain poorly understood. This PhD thesis aims to identify the mechanisms by which air pollution exposure induces harmful effects in individuals with chronic respiratory diseases, specifically asthma, and to compare these mechanisms with those affecting healthy individuals. Article 1 determined the immunomodulatory potential of DEPs after a short-, mid- and long-time exposure in a murine model of healthy mice. It was determined DEPs induced a two-phase immune response in our healthy mice. The first phase, equivalent to short DEPs exposure, is characterized by a decrease in lung functional parameters due to an inflammatory state mediated by neutrophilic and eosinophilic responses, affecting primarily the small airways. During this short exposure alveolar macrophages (AM) phagocytose DEPs to clear both lumen and tissue. However, with high DEPs accumulation AM may undergo depletion leading to neutrophilic recruitment, but also inducing a differentiation of inflammatory monocytes into interstitial macrophages (IM), which could culminate in a switch of the macrophage subpopulation and make the tissue a pro-inflammatory microenvironment. In the second phase, healthy mice recover the lung function parameters with values similar to those in non-exposed mice, and there is no more eosinophilia- neutrophilia-mediated inflammation. The remaining tissue resident macrophages undergo an exhaustion process which may culminate in the loss of their phagocytic capacity. In response, dendritic cells (DCs) replace macrophages in regulating the immune response, acting as key intermediators in the change from an innate to an adaptive response. All these data suggest that continuous DEPs exposure triggers immune mechanisms that predispose healthy individuals to a pro-inflammatory and hyper-reactive microenvironment. Article 2 presents the results of a prospective, observational in real-life study performed in asthmatic patients and a healthy control group after a short-term exposure (2-hour) to two environments, a polluted vs a non-polluted environment, determining the lung function, oxidative stress, inflammatory and immune biomarkers. This article deeps on the different mechanisms by which environmental pollution can deteriorate the respiratory health of not only asthmatic patients, but also healthy people after a short exposure to air pollution. Prolonged exposure to pollutants leads to persistent oxidative stress and systemic inflammation, which have been linked to the progression of respiratory diseases, accelerated lung function decline, and increased asthma risk. No differences in the lung function were stablished. However, significant immune alterations were determined during this article. In healthy individuals, there is an adaptive suppression of immune activity to mitigate the excessive inflammation triggered by pollutants with the increase of chemoattract (CXCL8 and CCL2) and regulatory cytokines (IL7) and a reduction of tissue remodeling cytokines (OSM and HGF). Conversely, asthmatics present a more marked inflammatory response, primarily mediated by IL1β and IL15, probably due to the pre-existing chronic inflammation. Both groups presented a common mechanism by the increase of CSF2 and IL17F leading to the activation of macrophages, neutrophils and Th17 cells.