Immunopathogenese van longfibrose

Transcriptie

1 K l i n i s c h e i m m u n o l o g i e Immunopathogenese van longfibrose Auteurs Tr e f w o o r d e n B.N. Lambrecht en H. de Groot fibroblasten, idiopathische longfibrose, myofibroblasten, profibrogene groeifactoren, usual interstitial pneumonia Samenvatting Idiopathische longfibrose is een progressieve, meestal fatale, vorm van interstitiële longfibrose die gekenmerkt wordt door een afwijkende alveolaire re-epithelisatie na een of andere vorm van longschade. Door dit abnormale proces van wondheling treedt differentiatie op van zogenoemde myofibroblasten. Myofibroblasten zijn in staat de apoptose van alveolaire epitheliale cellen te induceren en profibrogene groeifactoren, zoals plateletderived growth factor, transforming growth factor-b en endotheline-1 te produceren. Deze groeifactoren dragen bij tot verdere activering van fibroblasten en tot de productie van extracellulaire matrixcomponenten en jong bindweefsel. Deze reactie speelt zich vooral af in fibroblastfoci, de actieve haarden van fibrose en het primum movens van deze ziekte. Bij het ontstaan en de progressie van idiopathische longfibrose spelen ook neutrofielen, eosinofielen en Th2-lymfocyten een rol. Th2- cytokines induceren alternatieve activering van macrofagen die zo bijdragen tot fibrose. Tevens trekken Th2-cytokines profibrogene eosinofielen aan. Deze nieuwe inzichten in de ziekte, nu minder gebaseerd op ontsteking, bieden perspectieven voor nieuwe vormen van therapie. (Ned Tijdschr Allergie 2008;8:17-22) Inleiding Interstitiële longfibrose kan het resultaat zijn van longschade door bekende oorzaken. Een virale infectie, longschade door chemotherapie, schade door inhalatie van toxische gassen en vasculaire collageenziekten kunnen in hun eindstadium gekenmerkt worden door een belangrijke vorm van collageendepositie in het longinterstitium en gepaard gaan met verstoring van de normale parenchymateuze structuren. Bij idiopathische longfibrose ( idiopathic pulmonary fibrosis, IPF) is het insult per definitie niet bekend. Er zijn enkele case reports van familiaire vormen van de ziekte, alsook enige beschrijvingen van een mogelijke virale oorzaak. Familiair voorkomende IPF/ usual interstitial pneumonia (UIP) is een autosomaal dominant overervende aandoening die bij meerdere families in Nederland beschreven is. Histopathologisch wordt IPF gekenmerkt door het beeld van UIP. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de recente inzichten in de pathogenese van UIP en hoe deze leiden tot nieuwe ontwikkelingen van ziektemodificerende geneesmiddelen. Reactie normale long op schade Wanneer de long in contact komt met een schadelijke stimulus, treden een aantal algemene beschermingsprincipes van het aangeboren en specifieke immuunsysteem in werking. 1 Het voorbeeld van een bacteriële pneumonie wordt beschreven. Een bacterie wordt herkend door bronchiale epitheliale cellen, alveolaire macrofagen en dendritische cellen (DC s). Deze cellen produceren chemokines, leukotriënen en defensines, die vervolgens ontstekingscellen, zoals neutrofielen, aantrekken. Neutrofielen zijn in staat bacteriën te doden, maar bij dit proces komen ook veel zuurstofradicalen, lytische enzymen en matrixmetalloproteinases (MMP s) vrij. Deze enzymen en de oxidatieve stress kunnen in belangrijke mate de alveolaire epitheelcellen (AEC s; 95% platte cellen van type I en 5% cuboïdale cellen van type II) beschadigen, waardoor de alveolaire basale membraan (BM) bloot komt te liggen (zie Figuur 1). Bij deze beschadiging wordt vrijwel direct ook een herstelreactie in gang gezet, die de overhand neemt wanneer de bacterieload onder controle is. De schade wordt door middel van vroegtijdige 17

2 neutrofielinflux apoptose en opruiming van neutrofielen directe schade aan type I- epitheelcellen A differentiatie van type II alveolaire cellen trombi tissue factor /VII B trombine fibrinebeslag fibrinogeen plasminogeen tpa upa plasmine fibrinolyse PAI Figuur 1. A. Normaal herstel na longschade. Na longschade kunnen alveolaire cellen type II differentiëren tot type I- cellen en langs een intacte basale membraan leiden tot volledig herstel van de alveolaire wand. Neutrofielen worden opgeruimd door alveolaire macrofagen en aldus herstelt de longarchitectuur zich volledig. B. Ernstige longschade verhindert normaal herstel. Wanneer de longschade ingrijpender is, zoals bij diffuse alveolar damage (DAD), treden trombi op in de longcapillairen en slaat fibrine neer in het longinterstitium en de alveoli (zogenoemde hyalienemembraan). Het fibrinebeslag in de alveoli verhindert re-epithelisatie van de basale membraan. De longschade leidt ook tot een afname van de fibrinolytische activiteit door upregulatie van plasminogen activator inhibitor (PAI). activering van de stollingscascade afgekapseld. De neutrofielen en beschadigde type I-AEC s ondergaan apoptose en worden door alveolaire macrofagen opgeruimd. Belangrijk is dat op de blootgelegde BM opnieuw type I-AEC s komen te liggen. Dit gebeurt door differentiatie van type II-AEC s naar type I-cellen onder invloed van hepatocyte growth factor en keratinocyte growth factor, en door het aantrekken van pluripotente stamcellen uit het beenmerg die kunnen differentiëren tot type I-cellen. Meestal treedt volledig herstel op na een bacteriële pneumonie. Tegelijkertijd met de respons van het aangeboren immuunsysteem, treedt via activering en migratie van DC s ook activering van het specifieke immuunsysteem op, waardoor uiteindelijk specifieke T- en B-cellen ontstaan die zorgen voor langdurige bescherming tegen herinfectie. Abnormaal herstel na longschade Wanneer de schade meer uitgesproken is, bijvoorbeeld bij diffuse alveolar damage (DAD, vaak klinisch overeenkomend met adult respiratorydistress syndrome, ARDS), treedt ook activering van de stollingscascade op, onder invloed van tissue factor /VII-complex waardoor trombine geactiveerd wordt. Vanuit fibrinogeen ontstaat fibrine, zowel in de capillairen, het longinterstitium, als in het alveolaire lumen (wanneer sterk uitgesproken, spreekt men van hyalienemembranen). Op hetzelfde moment is ook sprake van een verminderde fibrinolyse door activering van plasminogen activator inhibitor (PAI). Wanneer de BM te sterk beschadigd is en bedekt wordt met fibrinebeslag, is het proces van re-epithelisatie veel moeilijker. Daardoor treedt hyperplasie van type II-AEC s op. Hyperplastische type II-cellen maken grote hoeveelheden transforming growth factor (TGF)-β aan, waardoor fibrose geïnitieerd kan worden (zie Figuur 2 op pagina 19). Onder invloed van groeifactoren die geproduceerd worden door type II-cellen, macrofagen en inflammatoire cellen, kunnen fibroblasten gaan woekeren en zelfs door de BM heen groeien tot in de terminale bronchioli of in de alveolaire ruimte, zij vormen dan de zogenoemde fibroblastplugs. De verschillende factoren die fibrose initiëren in de context van longbeschadiging zijn TGF-β, tumornecrosefactor (TNF)-α, platelet-derived growth factor (PDGF), endotheline-1, IL-1, β-fibroblast growth factor (FGF), trombine en IL-13. Deze vorm van ontstekingsgeïnduceerde fibrose komt ook voor bij non-specific intersitial pneumonia (NSIP) en kan gepaard gaan met architecturale beschadiging van de long. 18

3 K l i n i s c h e i m m u n o l o g i e hyperplasie van type II-cellen TGF-β stimulatie van fibroblasten Th2-cellen plasmacellen BOOPreactie eosinofielen Figuur 2. Initiatie van fibrose na longschade. Soms treedt na longschade hyperplasie op van type II-cellen, die overmatig veel transforming growth factor (TGF)β produceren. Hierdoor worden onderliggende fibroblasten en myofibroblasten geactiveerd, die collageen neerleggen. Soms groeien fibroblasten door de blootgestelde basale membraan heen, en vormen zo fibroblastplugs in het lumen. Een extreem voorbeeld is de zogenoemde bronchiolitis obliterans organizing pneumonia (BOOP)-reactie, waarbij grote hoeveelheden bindweefsel het lumen van de terminale bronchioli verstoppen. Usual interstitial pneumonia Momenteel wordt aangenomen dat UIP een aparte vorm van longschade is, als gevolg van een onbekende, repetitieve prikkel. De histopathologische beschrijving omvat een aantal cruciale punten die van belang zijn voor begrip over het ontstaan van de ziekte. Op het moment van een longbiopt wordt UIP voornamelijk gekenmerkt door interstitiële fibrose zonder uitgesproken inflammatie, hoogstens wat infiltratie met plasmacellen en T-lymfocyten. Er is heterogeniteit in de distributie over de long (in de Engelstalige literatuur wordt gesproken over spatial heterogeneity ), waarmee bedoeld wordt dat zones van normaal longweefsel afgewisseld worden met zones van longfibrose. Er is ook sprake van heterogeniteit in de tijd ( temporal heterogeneity ), waarmee bedoeld wordt dat zones van recente, jonge fibrose met losmazig collageenweefsel afgewisseld worden met zones van eindstadiumfibrose, met acellulaire collageenbundels. Hieruit leidt men af dat de long repetitief beschadigd wordt, waarop een (overmatige?) herstelreactie geïnitieerd wordt. Op de scheiding tussen normaal en fibrotisch weefsel vindt men in zones van jonge fibrose de zogenoemde fibroblastfoci: ophopingen van fibroblasten en myofibroblasten die pathognomonisch zijn voor de ziekte. De fibrose bevindt zich voornamelijk subpleuraal in de ondervelden en in het eindstadium komt honeycombing voor, grote zones van destructie omzoomd door bronchiolair epitheel. Fibroblasten en myofibroblasten in de fibroblastfoci 2 De activering van macrofagen, de abnormale activering van AEC s en de activering van endotheelcellen in de alveolaire wand onder invloed van een onbekende stimulus, leiden uiteindelijk tot een verandering van het fenotype van onderliggende fibroblasten, die differentiëren tot myofibroblasten. Myofibroblasten hebben een iets meer contractiel fenotype (ze kleuren bijvoorbeeld aan met antistoffen tegen actine in glad spierweefsel) en produceren talrijke extracellulaire matrixeiwitten, profibrogene cytokines en MMP s die de BM nog verder kunnen beschadigen. Fibroblasten hebben bovendien een verstoorde balans tussen MMP s en tissue inhibitors of metalloproteinases-2. TNF-α en TGF-β zijn 2 belangrijke factoren die een rol spelen bij de activering van fibroblasten. Myofibroblasten komen voor in de zogenoemde fibroblastfoci. Microscopisch komen fibroblastfoci voor ter hoogte van de bronchioloalveolaire overgang aan de rand van fibrotische zones. Myofibroblasten zien er spoelvormig uit, komen voor in lamellaire schikking en zijn omgeven door losmazig myxoïd bindweefsel. Dit letsel aan de alveolaire zijde is steeds bedekt met hyperplastisch uitziende type II-AEC s met toegenomen apoptose. Recentelijk is duidelijk geworden dat fibroblastfoci een netwerk vormen dat uitgroeit vanuit de viscerale pleura, ter hoogte van zones van neovascularisatie. Elektronenmicroscopisch lijkt een fibroblastfocus op het beeld van DAD, met beschadiging van de BM, epitheliale necrose en alveolaire collaps (zie Figuur 3). Hyalienemembranen worden echter nooit gezien. Men vermoedt dan ook dat fibroblastfoci zones zijn van acute longschade op een - onbekende - prikkel die steeds terugkeert in de tijd. Fibroblastfoci bepalen ook de prognose van de ziekte; talrijke foci zijn geassocieerd met een snelle evolutie naar eindstadiumfibrose. Neutrofielen en eosinofielen bij UIP Vermoed wordt dat neutrofielen vroeg in het ziekteproces door oxidatieve schade (superoxide anion 19

4 type II alveolaire cellen hyperplastisch apoptose geen re-epithelisatie profibrotische cytokinen produceert PAI s basale membranen onderbroken verlies epitheel bedekt met fibrine Th2-lymfocyten synthese van IL-4/IL-13 chemokines myofibroblasten synthese collageen AEC II-apoptose disbalans MMP s-timp s oxidatieve stress Figuur 3. Microscopische structuur van de fibroblastfocus. Bij fibroblastfoci is sprake van beschadiging aan de basale mebraan, activering van type II-epitheelcellen en vorming van jonge fibroblasten die contractiele eigenschappen krijgen (myofibroblasten). en waterstofperoxide) en MMP-synthese kunnen bijdragen aan schade aan type I-cellen en de BM, zoals men ook ziet bij DAD. Neutrofielen produceren ook hypochloriet, wat kan leiden tot verdere activering van MMP s. Het superoxide anion vormt na reactie met NO de zeer schadelijke peroxynitrietverbindingen. Wanneer een patiënt echter voor een biopt geëvalueerd wordt, is zelden nog infiltratie met neutrofielen te zien. Er zijn wel rapporten waarin vermeld wordt dat een hoog percentage neutrofielen in de bronchoalveolaire lavage (BAL)-vloeistof een marker is voor actieve en ernstige fibrose. Uit recente onderzoeken waarbij meerdere longbiopten worden genomen, is gebleken dat bij 35% van de IPF/UIP-patiënten ook zones van NSIP voorkomen, waar neutrofiele ontsteking wel duidelijk op de voorgrond staat. Men kan dan ook niet zomaar stellen dat UIP een nietinflammatoire ziekte is. Iets anders is het met eosinofielen gesteld. Eosinofielen komen voor in het interstitium en BAL-vloeistof van patiënten met UIP. Eosinofielen kunnen mogelijk bijdragen aan het fibrotische proces. Recentelijk is immers gebleken dat bij patiënten met astma een behandeling met anti-il-5 een daling van het aantal eosinofielen in het epitheel teweegbracht, samen met een reductie in TGF-β en een vermindering in de depositie van tenascine, een extracellulair matrixeiwit dat gevonden wordt in de subepitheliale verdikte BM. Of eosinofielen ook daadwerkelijk bijdragen aan fibrose bij IPF/UIP zal moeten blijken uit soortgelijke studies met anti-il-5. Het specifieke immuunsysteem en de Th1/Th2-balans 3 Naarmate het ziekteproces zich ontwikkelt, neemt de rol van het specifieke immuunsysteem in de controle van het fibroseproces progressief toe. Bij chronische ontstekingsprocessen treedt in het algemeen een shift op van een neutrofiele naar mononucleaire ontsteking, die wordt gekenmerkt door infiltratie met lymfocyten, macrofagen en plasmacellen. Bij UIP ziet men een toename van het aantal plasmacellen en Th2-lymfocyten, die voornamelijk IL-4, IL-13 en IL-5 produceren. Vooral het cytokine IL-13 speelt een belangrijke rol in de controle van chronische fibrose. IL-13 (en in mindere mate IL-4) hebben een directe werking op fibroblasten die de IL-4-/IL-13-receptor tot expressie brengen, wat leidt tot productie van collageen type I/III en fibronectine. IL-13 is op zichzelf een sterker profibrogeen cytokine dan TGF-β. In vivo werken deze cytokines synergistisch, aangezien IL- 13 de productie van TGF-β stimuleert, evenals de activering van TGF door MMP-activering. Naast de fibroblast is de alternatief geactiveerde macrofaag de belangrijkste effectorcel bij het ontstaan van fibrose. Het belang van Th2-cytokines bij fibrose wordt ook onderstreept door de interferon (IFN)-γ-therapie bij UIP die erop gericht is de balans van cytokines in de richting van Th1 te herstellen, wat - althans bij proefdieren - een gunstig effect had op de fibrose. Een nieuw inzicht in de pathogenese van fibrose in zijn algemeenheid is de rol die men toedicht aan IL- 10 en regulatoire T (T reg )-cellen. T reg -cellen hebben een brede anti-inflammatoire werking en zijn ook in staat de chronische fibrose die daarmee gepaard gaat, af te remmen. IL-10 remt de collageensynthese rechtstreeks door littekenfibroblasten. Het therapeutische potentieel van dit molecuul bij UIP is nog niet getest in een klinische studie. Een auto-immuuncomponent bij UIP? 4 Het voorkomen van de UIP-reactie bij een aantal vasculaire collageenziekten, zoals sclerodermie, alsook de vaak geziene associatie van autoantistoffen bij eenderde van de IPF-patiënten doet vermoeden dat ook een auto-immuunreactie kan bijdragen aan de schade en/of het in stand houden van de longfibrose. Het is zo dat de initiële prikkel die leidt tot activering van macrofagen, de productie 20

5 K l i n i s c h e i m m u n o l o g i e type II-pneumocyt schade aan lichaamseigen cellen schade TNF-α dendritische cel endotheel van de ziekte ook georganiseerde aggregaten van T- en B-lymfocyten optreden, waarin soms zelfs germinal-centerreacties gezien worden, een teken van lokale immunoglobulinesecretie. Een dergelijk beeld ziet men ook bij reumatoïde artritis in het gewricht en rond bronchioli (folliculaire bronchiolitis). Zeker in de met UIP geassocieerde zones van NSIP komen verhoogde aantallen DC s voor in de longletsels en de DC s trekken T-lymfocyten aan. auto-immuunrespons autoreactieve T- en B-cellen longdrainerende lymfknoop Figuur 4. Inductie van een auto-immuunrespons na longschade. Schade aan de long leidt tot lokale activering van antigeenpresenterende dendritische cellen (DC s), die het autoantigeen dat vrijkomt door de longschade, kunnen herkennen. Na presentatie van het antigeen in de longdrainerende lymfknopen aan autoreactieve T-cellen, kunnen T-cellen verder bijdragen aan het onderhouden van longschade. Deze T-cellen zorgen ook voor stimulatie van autoreactieve B-cellen, waardoor auto-immuunserologie positief kan worden. van TNF-α verhoogt. TNF-α is in staat de lokale DC s te activeren. Die DC s kunnen daardoor apoptotische AEC s, extracellulaire matrixeiwitten en dode neutrofielen gaan herkennen, waardoor lichaamseigen antigenen die normaal niet herkend worden door het immuunsysteem plotseling gepresenteerd worden aan specifieke T- en B-cellen in de lymfklieren (zie Figuur 4). Deze auto-immuunrespons kan uiteindelijk bijdragen aan het onderhouden van de longschade, lang nadat de initiële prikkel verdwenen is. Zo zijn bij UIP-patiënten verhoogde antistofspiegels gevonden, die gericht zijn tegen het cytokeratine 16, dat aanwezig is in alveolaire epitheelcellen. Vermoedelijk is dit voorkomen van antistoffen een gevolg van de beschadiging van de epitheelcellen, tezamen met secretie van TNF-α. Het is momenteel onduidelijk of het voorkomen van autoantistoffen bij patiënten met auto-immuunziekten ook voldoende is om een fibrotisch proces in gang te zetten. In het duidelijkste geval is het voorkomen van antistoffen tegen anti-jo-1 in het antisynthetasesyndroom wellicht het primum movens van een vaak voorkomende subpleurale fibrose. Bij UIP ziet men in een vergevorderd stadium Implicaties voor nieuwe therapie De huidige therapie voor IPF bestaat uit corticosteroïden, gecombineerd met azathioprine of cyclofosfamide, en is nog steeds gebaseerd op het idee dat ontsteking ten grondslag ligt aan de ziekte. Uit voorafgaand betoog is echter duidelijk geworden dat in latere stadia van de ziekte, de fibrose en acute longbeschadiging ter hoogte van fibroblastfoci het primum movens zijn. Nieuwe therapieën zijn er dan ook op gericht de epitheliale schade en de daaropvolgende fibrose tegen te gaan. De cruciale rol van TNF-α bij de verstoring van de AEC-functie, fibroblastproliferatie, myofibroblastvorming en DC-activering heeft geleid tot studies naar de blokkade van deze molecuul met soluble TNF-receptors (etanercept) of met anti-tnf-α-antilichamen (infliximab). De rol van TGF-β als profibrotisch cytokine leidde tot studies met pirfenidone (een small molecule antagonist ) en tot preklinische studies met TGF-β-receptor-Fc-fusie-eiwitten. Met andere studies wordt gekeken naar de rol van endotheline-1 als pro-fibrotisch molecuul in UIP door gebruik te maken van bosentan. De Th2-cytokinedisbalans heeft geleid tot studies met het Th1-cytokine IFN-γ en zal leiden tot studies met anti-il-5 en soluble IL-13-receptor-α2- Fc-fusie-eiwitten. De rol van oxidatieve schade door neutrofielen en myofibroblasten is gebleken uit een studie met N- acetylcysteïne. Ongetwijfeld zullen vele nieuwe farmaca die gebaseerd zijn op voortschrijdend inzicht in de pathogenese de weg vinden naar de patiënt met IPF. Conclusie Recentelijk is duidelijk geworden dat UIP ontstaat als een overmatige herstelreactie op een onbekende stimulus die acute longschade aan alveolaire epitheelcellen veroorzaakt. Een verstoorde epithelialemesenchymale communicatie leidt tot overmatige 21

6 Aanwijzingen voor de praktijk 1. Usual interstitial pneumonia (UIP) is een specifieke idiopathische vorm van longfibrose, die gekenmerkt wordt door variabiliteit in tijd (jonge en oude fibrose wisselen elkaar af) en ruimte (sommige longzones zijn niet aangetast) en die leidt tot verstoring van de longarchitectuur. Bij ongeveer eenderde van de patiënten komen autoantilichamen voor. 2. Zowel bij auto-immune als bij idiopathische vormen van longfibrose is sprake van schade aan alveolaire epitheelcellen met daarop een overdreven mesenchymaal herstelproces. 3. Nieuwe inzichten in de ziekte leren dat de ontsteking niet op de voorgrond staat bij UIP en daarom zijn corticosteroïden en immunosuppressieve middelen weinig effectief. In de toekomst zal de behandeling bestaan uit anti-fibrotische medicijnen. vorming van myofibroblasten in fibroblastfoci en uiteindelijk tot collageendepositie. Later in het proces spelen Th2-cytokines en een auto-immuunreactie een rol in de progressie van de ziekte. Referenties 1. Katzenstein AL. Katzenstein and Askin s surgical pathology of non-neoplastic lung disease. 3rd ed. Philadelphia; WB Saunders: White ES, Lazar MH, Thannickal VJ. Pathogenetic mechanisms in usual interstitial pneumonia/idiopathic pulmonary fibrosis. J Pathol 2003;201: Wynn TA. Fibrotic disease and the Th1/Th2 paradigm. Nat Rev Immunol 2004;4: Lynch JP. Idiopathic pulmonary fibrosis. From the series: Lenfant C, executive editors. Lung biology in Health and Disease. Vol 185. New York: Marcel Dekker; Ontvangen 10 maart 2005, geaccepteerd 16 januari C o r r e s p o n d e n t i e a d r e s Dhr. prof. dr. B.N. Lambrecht, longarts Universitair Ziekenhuis Gent - UZGENT Afdeling Longziekten De Pintelaan 185 B-9000 Gent België Tel.: adres: bart.lambrecht@ugent.be Dhr. dr. H. de Groot, internist-allergoloog Erasmus MC Afdeling Allergologie Postbus CA Rotterdam Correspondentie graag richten aan de eerste auteur. Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld. 22