Rhinovirussen bij astma Een experimentele benadering

Rhinovirussen bij astma Een experimentele benadering Samenvatting Op 31 oktober 2000 promoveerde Katrien Grünberg op het proefschrift getiteld: Rhinoviruses in asthma. An experimental approach. Het onderzoek vond plaats aan de Universiteit van Leiden, onder leiding van de promotoren Prof.Dr. P.J. Sterk en Prof. Dr. J.H.J.M. van Krieken. Hieronder zijn de belangrijkste bevindingen van het onderzoek samengevat. (Ned Tijdschr Allergie 2001;1:43-47) Promotie van Katrien Grünberg Inleiding Hoewel de ziekte astma moeilijk exact te definiëren valt, wordt astma vaak gekenmerkt door wisselende klachten van benauwdheid en kortademigheid. Klachten gaan gepaard met vernauwing van de luchtwegen als gevolg van overprikkelbaarheid voor diverse specifieke en aspecifieke prikkels. Deze verschijnselen zijn meetbaar als variabele luchtwegobstructie en bronchiale hyperreactiviteit. Tekenen van inflammatie van de luchtwegen zijn in alle stadia van de ziekte te vinden. Momenteel lijdt 10-20% van de westerse bevolking aan astma. De behandeling van astma volgens de geldende richtlijnen, o.a. met inhalatiesteroïden, geeft bij de meeste patiënten een duidelijke vermindering van de klachten, verbetering van de functionele afwijkingen en van de onderliggende ontsteking van de luchtwegen. Echter, de toename van ziekenhuisopnames en overlijden door astma houdt gelijke tred of overtreft zelfs de toename van het vóórkomen van astma. Ernstige, en potentieel fatale exacerbaties komen nog steeds voor, ook bij patiënten met een lichte vorm van astma en ondanks veelal agressieve (anti-inflammatoire) therapie. Het is mogelijk dat dergelijke, ongecontroleerde aanvallen verlopen via andere ziektemechanismen, bijvoorbeeld in samenhang met virale respiratoire infecties. De ervaring leert dat er vaak virale luchtweginfecties in het spel zijn als opname wegens astma nodig is. Populatiestudies laten zien dat ongeveer 44% (volwassenen) tot 85% (kinderen) van de exacerbaties van astma geassocieerd zijn met een virale luchtweginfectie die door diverse verwekkers kan zijn veroorzaakt, zoals het influenzavirus, het parainfluenzavirus, het respiratory syncytial virus (RSV), het coronavirus of het rhinovirus. Rhinovirus infecties beslaan ongeveer de helft van alle gedetecteerde virussen bij astma-exacerbaties en leveren dus een belangrijke bijdrage aan de last die het hebben van astma met zich meebrengt. De pathogenese van een dergelijke rhinovirus-geassocieerde verslechtering is nog grotendeels onduidelijk. Een adequaat diermodel ontbreekt vooralsnog. Beter inzicht in de pathogenese zou kunnen leiden tot (de ontwikkeling van) meer gerichte, specifieke behandelingen voor dergelijke exacerbaties. Dit proefschrift De studies die in het kader van deze promotie verricht zijn, hadden als algemeen doel het inzicht in de pathogenese van rhinovirus-geassocieerde veranderingen bij astmapatiënten te vergroten. Er werd gebruik gemaakt van experimentele rhinovirus infecties, ofwel besmetting van vrijwilligers (astmapatiënten) in het kader van wetenschappelijk onderzoek. Dankzij de samenwerking met Dr. Elliot Dick en Rebecca Dick uit Madison, Wisconsin, in de Verenigde Staten, konden wij beschikken over een rhinovirusinoculaat (RV16) dat geschikt en veilig was voor gebruik bij mensen, met name ook bij allergische patiënten en astma-patiënten. Hieronder volgt een samenvatting van de belangrijkste bevindingen. Variabele luchtwegobstructie Variabele luchtwegobstructie is kenmerkend voor astma. Luchtwegobstructie is het gevolg van diverse 43

Figuur 1. De thuis-gemeten FEV 1 in de RV16 groep (O) en de placebo groep ( ), uitgedrukt als percentage van de uitgangswaarde (gemiddelde ± SEM). RV16 of placebo werd geïnoculeerd op dagen 0 en 1. De maximale daling in FEV 1 (laagste waarde na inoculatie/hoogste uitgangswaarde) was na RV16 infectie significant groter dan na placebo-inoculatie (p = 0.04). Thuis gemeten FEV 1 (% van de uitgangswaarde) 120 110 100 90 80 70-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Studiedagen factoren die samenhangen met inflammatie van de luchtwegen, waaronder structurele veranderingen van de luchtwegen, slijmvlieszwelling, slijmophoping, en bronchospasme. Bij gezonden wordt luchtwegobstructie onder andere voorkomen door het zogenaamde deep-breath effect: door een diepe ademteug worden de longen als het ware even opgerekt. Bij astmapatiënten lijkt een diepe inademing minder effectief te zijn, het is moeilijker om luchtwegobstructie te voorkómen of om te keren. Wij beschreven het effect van een RV16 infectie op FEV 1, welke laatste met behulp van een draagbare spirometer 3 maal daags gemeten werd door de patiënten zelf. Het blijkt dat een RV16 infectie een toename van variabele luchtwegobstructies teweegbrengt (Figuur 1), die samen gaat met verergering van de astmasymptomen. Hoe erger de verkoudheid, hoe meer toename van luchtwegobstructie. Deze bevinding wijst enerzijds op een mogelijk toegenomen bronchiale hyperreactiviteit. Anderzijds is het mogelijk dat het deep-breath effect nog verder is afgenomen. Bronchiale hyperreactiviteit Bronchiale hyperreactiviteit, ofwel een lagere prikkeldrempel en een versterkte bronchoconstrictieve reactie, zijn kenmerkende verschijnselen bij astma. In het proefschrift wordt beschreven dat RV16 infectie leidt tot een daling van de prikkeldrempel (PC 20 ) voor histamine. Deze toename van de bronchiale hyperreactiviteit is het meest uitgesproken bij patiënten met ernstige verkoudheidssymptomen. Deze bevinding vormt enerzijds een verklaring voor de variabele luchtwegobstructie die na infectie gezien wordt. Anderzijds wijst deze in de richting van de betrokkenheid van bijvoorbeeld C-vezels, de ongemyeliniseerde sensorische zenuwvezels, en/of een toegenomen ontsteking van de luchtwegen. De rol van C-vezels Een vervolgstudie was gebaseerd op het idee dat de C-vezels van de long betrokken zijn bij de toename van bronchiale hyperreactiviteit als gevolg van virale luchtweginfecties, zoals ook in knaagdiermodellen is aangetoond. Het is mogelijk dat de neurokininen die door de C-vezels worden uitgescheiden een versterkt bronchoconstrictief effect hebben doordat de prikkeldrempel voor uitstoot van deze stoffen lager wordt, of doordat er meer uitstoot c.q. minder afbraak van neurokininen plaatsvindt. Bradykinine is een stof die onder andere via prikkeling van de C-vezels bij personen met astma tot bronchoconstrictie leidt. Onderzocht werd of de bronchiale hyperreactiviteit voor bradykinine verandert onder invloed van een RV16 infectie. Dit blijkt wél het geval, maar anders dan verwacht. Herhaalde bradykinine provocatietests bleken te leiden tot tole- 44 F E B R U A R I - M A A R T 2 0 0 1 - N R. 1

rantie voor deze agonist. Na RV16 infectie trad echter nauwelijks tolerantie op. Er was dus geen absolute, maar een relatieve toename van de bronchiale hyperreactiviteit na RV16 infectie. Hoewel moeilijk te verklaren, is dit toch een aanwijzing dat C-vezels een rol spelen bij de RV16-geïnduceerde toename van bronchiale hyperreactiviteit. Hoogstwaarschijnlijk zijn er echter ook andere mechanismen in het spel. Tekenen van inflammatie in sputum In recente jaren is gebleken dat tekenen van luchtweginflammatie bij astma ook waargenomen kunnen worden in sputum. Zo bevat het sputum van astmapatiënten onder andere verhoogde concentraties van diverse ontstekingsmediatoren. De eerder beschreven toename van variabele luchtweg-obstructie en bronchiale hyperreactiviteit na RV16 infectie wezen al in de richting van een verergering van de ontsteking. In hoofdstuk 6 wordt beschreven dat een RV16 infectie inderdaad gepaard gaat met een toename van concentraties van ontstekingsmediatoren in het sputum, hoewel er geen duidelijke verschuivingen waren in de percentages van de verschillende typen leukocyten. De ontstekingsmediatoren zijn mogelijk deels afkomstig van eosinofiele granulocyten (zoals ECP), deels van andere witte bloedcellen (IL-6 en IL-8), waaronder de neutrofiele granulocyten (met name IL-8, zie Figuur 2), en deels uit het bronchusepitheel (IL-8). Het is opvallend dat de sterkste verhoging van ECP gevonden werd bij de patiënten met de grootste toename van bronchiale hyperreactiviteit. Tekenen van inflammatie in de bronchiale mucosa Gezien de toegenomen luchtwegobstructie en hyperreactiviteit die samengaan met tekenen van verergering van ontsteking in sputum, lijkt het aannemelijk dat de afweer en ontsteking zich ook in het longweefsel zelf manifesteren. Immers, een antivirale immuunrespons waarbij zowel leukocyten als longweefsel betrokken zijn, zou diverse veranderingen tot gevolg kunnen hebben die de bronchiale hyperreactiviteit doen toenemen. Een volgende stap was daarom het onderzoeken van de bronchiale mucosa (hoofdstukken 7 en 8 van het proefschrift). Bronchusbiopten werden verkregen door fiberoptische bronchoscopie. Na immunohistochemische kleuring van de verschillende leukocytenpopulaties werden de celaantallen in het epitheel en de lamina propria Figuur 2. Voorbeeld van de intracellulaire kleuring van interleukine-8 (IL-8) op sputumcellen. De pijlen wijzen naar positief aangekleurde, neutrofiele granulocyten. Na RV16 infectie was er een significante toename van het aantal IL-8 aangekleurde sputumcellen, met name van neutrofiele granulocyten (p = 0.02). 45

Figuur 3. Voorbeeld van het aankleuringspatroon voor ICAM-1 in bronchusbiopten. Na RV16 infectie was er een significante toename van ICAM-1 expressie in het bronchusepitheel (p = 0.03), ongeacht een 2-weken durende voorbehandeling met budesonide. bepaald met behulp van geautomatiseerde tellingen op gedigitaliseerde beelden. Het aantal T-cellen bleek toegenomen te zijn na infectie. T-cellen (- subpopulaties) zijn onder meer gespecialiseerd in het regisseren van de afweer tegen virale infecties, maar ook tegen een allergische ontsteking zoals die bij astma gezien wordt. Hoe groter de toename van cytotoxische T-cellen in het epitheel, hoe geringer de toename van bronchiale hyperreactiviteit. Dit zou erop kunnen wijzen dat de functie van lymfocyten mede bepalend is voor het al of niet verslechteren van astma tijdens infectie. Nadere bestudering van het epitheel toonde een toename van expressie van het adhesiemolecuul ICAM-1 (Figuur 3). ICAM-1 is tevens de specifieke receptor voor de meeste rhinovirussen (inclusief RV16), welke de infectie van de cel katalyseert. Er zijn aanwijzingen dat een infectie de expressie van ICAM-1 doet toenemen, maar ook mogelijk is dat de ICAM-1 expressie toeneemt als gevolg van de toegenomen ontsteking. De verhoogde expressie zou de verspreiding van de infectie kunnen bevorderen. Of infectie van de longen daadwerkelijk op uitgebreide schaal plaatsvindt, moet nog worden vastgesteld. Behandeling van rhinovirus-geassocieerde exacerbaties van astma Wat te doen tegen een astma-aanval die wordt veroorzaakt door een rhinovirus infectie? Op dit moment baseert men de keuze van de behandeling op de geldende algemene richtlijnen voor behandeling van astma in het algemeen en exacerbaties in het bijzonder. Anti-inflammatoire therapie met corticosteroïden, per inhalatie of oraal, vormt de basis van astmatherapie. In de laatste studie van dit proefschrift is onderzocht of onderhoudsbehandeling met inhalatiesteroïden al of niet een gunstig effect heeft op de astma symptomatologie gedurende een rhinovirus infectie. Zoals verwacht kan worden, werd gevonden dat behandeling met budesonide gedurende 2 weken resulteerde in een verbetering van de bronchiale hyperreactiviteit en een lager aantal eosinofiele granulocyten in de bronchiale mucosa. Nieuw was dat deze verbetering behouden bleef gedurende en na de infectie. Echter, er waren geen significante verschillen met de patiënten die géén voorbehandeling met inhalatiesteroïden hadden ondergaan, óók niet met betrekking tot de virusgeïnduceerde toename van de ICAM-1 expressie en de aantallen lymfocyten in longweefsel. Hoewel een duidelijk gunstige (of ongunstige) werking van inhalatiesteroïden op de rhinovirus-geassocieerde pathofysiologie in deze studie niet kon worden aangetoond, zouden astmapatiënten door gebruik van deze medicatie wél kunnen profiteren van een betere uitgangspositie. Conclusie Het doel van het onderzoek in dit proefschrift was het verkrijgen van inzicht in de klinische en patho- 46 F E B R U A R I - M A A R T 2 0 0 1 - N R. 1

fysiologische effecten van een rhinovirus infectie en in de onderliggende mechanismen van virus-geassocieerde verslechtering van astma. Wat is er bereikt? Ten eerste is het duidelijk geworden dat experimentele rhinovirus infecties een milde exacerbatie van astma kunnen induceren. Qua tijdsverloop, maar niet qua aard van de fysiologische effecten, verschilt deze exacerbatie van de verslechtering zoals die optreedt na blootstelling aan allergenen en lijkt hierdoor op de exacerbaties zoals die in de dagelijkse praktijk gezien worden. De aandacht is gevestigd op frequente metingen van luchtwegobstructie door de patiënt zelf. Zo kan een vinger aan de pols gehouden worden teneinde astma-exacerbaties bij een virale luchtweginfectie tijdig te kunnen detecteren en te behandelen. Bij het ontstaan van rhinovirus-geïnduceerde exacerbaties spelen de ontstekingsreactie in de mucosa van zowel de neus als de longen een rol. Naast C- vezels zijn ontstekingscellen betrokken bij deze processen. Deze reageren met een toegenomen productie van ontstekingsmediatoren in de luchtwegen. De verbetering na voorbehandeling met inhalatiesteroïden bleef behouden tijdens infectie, maar had geen duidelijk effect op de rhinovirusgeïnduceerde veranderingen. Deze gegevens bieden aanknopingspunten om het nut van zowel bekende als nieuw te ontwikkelen geneesmiddelen juist in deze specifieke situatie te onderzoeken. Zodoende kan de behandeling van astma-exacerbaties wellicht verbeteren door deze (anders dan nu het geval is) aan te passen aan de oorzaak van de verslechtering. Met name de toegenomen expressie van ICAM-1 in de lagere luchtwegen is interessant in het licht van de ontwikkeling van antivirale middelen, zoals soluble ICAM-1 en de nieuwe generatie pocketfactoren. Juist bij astma zou toepassing van deze middelen in de long van nut kunnen zijn. Verder onderzoek Het is nu duidelijk dat een rhinovirus infectie bij astmapatiënten tot verslechtering van hun aandoening kan leiden. Maar waarom gebeurt dit juist bij mensen met astma? Mogelijk zijn er verschillen in de antivirale immuunrespons, of in de (functie van) celtypes en weefsels die bij de ontstekingsreactie betrokken zijn. Vormen de structurele afwijkingen aan de longen een reden voor het feit dat een virale luchtweginfectie harder toeslaat bij mensen met astma? Het ontrafelen van deze aspecten zal ons in staat stellen om patiënten met een verhoogd risico op het krijgen van een ernstige exacerbatie, te identificeren. Verder zou de kennis die hierover opgedaan wordt bij astma mogelijk ook toegepast kunnen worden bij andere longziekten, zoals C.O.P.D., taai-slijm ziekte en bronchopulmonale dysplasie. Experimentele rhinovirus infecties bij mensen met astma en gezonden blijken een nuttige methode om in de bovenstaande zaken meer duidelijkheid te brengen. Correspondentie-adres promovenda: Mw. Dr. K. Grünberg, arts-assistent in opleiding Afdeling Klinische Pathologie Academisch Ziekenhuis Vrije Universiteit Postbus 7057 1007 MB Amsterdam Telefoon: 020-4444016 E-mail: k.grunberg@azvu.nl 47