Praca powstała dzięki grantowi MNiSW nr N N402 110534.

WSTĘP

Astma jest najczęstszą chorobą przewlekłą wieku dziecięcego i charakteryzuje się przewlekłym stanem zapalnym dróg oddechowych oraz nadmierną ich reaktywnością na niespecyficzne bodźce (np. zimne powietrze, dym tytoniowy, wysiłek). Zaobserowano, że astma atopowa jest związana ze zmianami regulacji nerwowej dróg oddechowych [1]. Zapalenie alergiczne prowadzi do zmian w sieci neuronalnej płuc, szczególnie do nadreaktywności nerwów czuciowych i lokalnie wzmożonego przekaźnictwa sygnału w zwojach przywspółczulnych. Istotną rolę w stymulacji nadreaktywności neuronów czuciowych indukujących zapalenie w drogach oddechowych odgrywają czynniki neurotroficzne.

W oparciu o powyższe obserwacje powstała koncepcja neurogenna zapalenia alergicznego w astmie [2]. Zakłada ona, że za rozwój stanu zapalnego odpowiada wzmożone przekaźnictwo nerwowe w obrębie dróg oddechowych, zwiększone uwalnianie neuroprzekaźników, nadwrażliwość na neuropeptydy oraz nadmierna ekspresja neurotrofin i ich receptorów na powierzchni komórek mięśni gładkich i nerwowych. Przypuszczalnie, wszystkie kluczowe objawy astmy, takie jak skurcz mięśni gładkich dróg oddechowych, rozszerzenie naczyń krwionośnych i ich wzmożona przepuszczalność, nadmierne wydzielanie śluzu i rozwój zapalenia w drogach oddechowych są przypisywane działaniu neurotrofin, co dało podstawę do sformułowania koncepcji neurogennego zapalenia w astmie oskrzelowej [3, 4].

Neurotrofiny, do których należą czynnik wzrostu nerwów (ang. nerve growth factor, NGF), mózgopochodny czynnik neurotroficzny (ang. brain-derived neurotrophic factor, BDNF), neurotrofina 3 i 4 (ang. neurotrophin 3 and 4, NTF-3 i 4) mogą, oprócz wpływu troficznego na komórki nerwowe, wpływać również na komórki odpornościowe, mięśni gładkich i nabłonkowe, co jest dowodem istnienia oddziaływań pomiędzy komórkami nerwowymi, odpornościowymi i strukturalnymi w płucach. Wszystkie wymienione komórki są zdolne do wytwarzania neurotrofin w trakcie zapalenia alergicznego [5], a w astmie obserwuje się podwyższone stężenie i aktywność neurotrofin zarówno we krwi obwodowej, jak i miejscowo w płucach. Wykazano również, że zwiększona miejscowo produkcja neurotrofin przyciąga komórki stanu zapalnego takie jak monocyty i makrofagi [6], eozynofile [7], i limfocyty T, które produkują zwiększoną ilość neurotrofin m.in. BDNF [8] po kontakcie z alergenem [9]. Badania na modelu zwierzęcym wykazały, że neurotrofiny są bezpośrednio z wiązane z wieloma patomechanizmami obserwowanymi w astmie np. w rozwoju nadreaktywności oddechowej [10]. Ponadto, badania na modelu zwierzęcym wykazały, że nadprodukcja neurotrofin lub ich receptorów, jak również ukierunkowana delecja ich genów odgrywają ważną rolę w rozwoju przewlekłego stanu zapalnego dróg oddechowych [11]. Te odkrycia pomogły w zrozumieniu sieci zależności pomiędzy zaburzeniami w regulacji immunologicznej i neurogennej obserwowanych w astmie.

NEUROTROFICZNY CZYNNIK MÓZGOPOCHODNY (BDNF)

Neurotroficzny czynnik mózgopochodny (BDNF) odgrywa istotną rolę w plastyczności nerwowej i wykazano, że jego stężenie jest podwyższone w popłuczynach oskrzelowo-pęcherzykowych pobranych od pacjentów z astmą alergiczną po ekspozycji na alergen [12]. W zwierzęcym modelu astmy BDNF wykazuje wzmożoną ekspresję w komórkach stanu zapalnego naciekających drogi oddechowe, m.in. w limfocytach T i makrofagach [8]. Ponadto zasugerowano, że BDNF jest istotnym czynnikiem w patogenezie nadreaktwności oskrzelowej i ograniczeniu drożności dróg oddechowych, ponieważ wykazano, że inhibicja BDNF obniża wzmożone napięcie dróg oddechowych i nadreaktywnosć nerwową u zwierząt po ekspozycji na alergen [7, 13]. Podobne wyniki badań uzyskano u ludzi, obserwując istotnie wyższe stężenie BDNF w surowicy krwi, płytkach i osoczu osób chorych na astmę w porównaniu z osobami zdrowymi [14]. Co więcej, badanie przeprowadzone przez ten zespół ujawniło istnienie związku pomiędzy stężeniem BDNF w płytkach krwi a ograniczoną drożnością dróg oddechowych, jak również nadreaktywnością oskrzelową u pacjentów chorych na astmę.

Źródłem zwiększonego stężenia BDNF mogą być nie tylko komórki zapalne takie jak komórki tuczne, limfocyty i monocyty, ale również komórki nabłonkowe dróg oddechowych, które uwalniają neurotrofiny pod wpływem czynników zapalnych [15]. Może to prowadzić do zaburzenia regulacji produkcji neurotrofin w chorobach alergicznych i zapalnych [16]. Potwierdzeniem związku między podwyższonym stężeniem BDNF a nasileniem zapalenia alergicznego w astmie jest normalizacja poziomu krążącego BDNF w odpowiedzi na leczenie przeciwzapalne wziewnymi glikokortykosteroidami [17], co dodatkowo potwierdza korzystny wpływ tych leków na ograniczanie stanu zapalnego w drogach oddechowych u chorych na astmę. Gen BDNF znajduje się w ramieniu krótkim chromosomu 11 [18], w pobliżu regionu sprzężonego z astmą [19]. Gen składa się z czterech krótkich eksonów 5’ z odrębnymi promotorami oraz jednego eksonu 3’ kodującego dojrzałe białko. W genie BDNF analizowano jak dotąd kilka polimorfizmów, jednak w związku z astmą opublikowano tylko jedno badanie dotyczące analizy polimorfizmów w tym genie z astmą, tj. rs6265 (66Val/Met) w regionie kodującym i C-270T w regionie 5’UTR [20]. Inne polimorfizmy, jakie analizowano w tym genie, obejmowały głównie zaburzenia psychiatryczne.

CZYNNIK WZROSTU NERWÓW (NGF)

Czynnik wzrostu nerwów (NGF) ulega podwyższonej ekspresji w astmie [21], a jego nadprodukcja nasila stan zapalny i nadreaktywność dróg oddechowych jak również zapalenie neurogenne. NGF może także indukować nadreaktywność oskrzelową (BHR) poprzez zwiększenie unerwienia czuciowego oraz stymulować migrację i aktywację komórek stanu zapalnego naciekających śluzówkę oskrzeli oraz komórek strukturalnych (nabłonkowych, mięśni gładkich i fibroblastów) w płucach [22]. Niedawno powstała też hipoteza, że jego nadprodukcja w okresie niemowlęctwa może być głównym czynnikiem ryzyka rozwoju astmy [23]. Klinicznie, stężenie NGF jest związane ze stopniem ciężkości astmy, a u pacjentów obserwuje się podwyższone stężenie tej neurotrofiny w surowicy, w porównaniu z surowicą osób zdrowych [24]. Natomiast po leczeniu przeciwzapalnym glikokortykosteroidami zaobserwowano znaczne obniżenie stężenia NGF [25]. Ponadto, ostatnie badania wskazują na udział tego czynnika w przebudowie (ang. remodeling) dróg oddechowych obserwowanego w astmie, ponieważ NGF bierze również udział w proliferacji komórek śródbłonka i hipetrofii mięśni gładkich oskrzeli [26].

NEUROTROFINA 3 (NTF-3)

W drogach oddechowych chorych na astmę zaobserwowano zwiększone stężenie neurotrofiny 3 (NTF-3) i przypuszcza się, że może mieć to znaczenie ochronne pod względem nadreaktywności dróg oddechowych, ponieważ w badaniu Bachar i wsp. [27] zaobserwowano, że neurotrofina 3 hamuje skurcz wywoływany za pośrednictwem przekaźnictwa cholinergicznego in vitro.

RECEPTORY DLA CZYNNIKÓW NEUROTROFICZNYCH

Wyżej opisane czynniki neurotroficzne działają poprzez swoiste receptory kinaz tyrozynowych Trk oraz strukturalnie niezwiązane z nimi nieswoiste receptory neurotrofinowe p75. Receptory Trk ulegają ekspresji w neuronach, komórkach mięśni dróg oddechowych i komórkach stanu zapalnego, głównie eozynofilach naciekających oskrzela, a zwiększoną liczbę tych receptorów zaobserwowano po stymulacji alergenem [23]. Sugeruje się, że blokowanie przekaźnictwa receptorów Trk może łagodzić objawy astmy, w związku z tym warianty genetyczne związane z potencjalnym obniżeniem aktywności genów dla tych receptorów mogą być czynnikami protekcyjnymi pod względem wystąpienia objawów astmy lub ich mniejszego nasilenia, natomiast warianty alternatywne związane z podwyższeniem ekspresji genów dla receptorów Trk mogą z kolei być czynnikami ryzyka rozwoju astmy i nadreaktywności oskrzelowej.

Receptor kinazy tyrozynowej A (NTRKA) jest receptorem swoistym dla NGF, receptor kinazy tyrozynowej B (NTRKB) jest swoisty dla BDNF i NTF-4/5, a receptor kinazy tyrozynowej C (NTRKC) jest swoisty dla NTF-3. Natomiast receptorem nieswoistym dla NGF jest receptor p75NTR. Należy on do rodziny receptorów wykazujących silną homologię z czynnikami martwicy nowotworów (TNFα). Jego domena zewnątrzkomórkowa, bogata w aminokwasy zasadowe, jest odpowiedzialna za wiązanie różnych neurotrofin. Aktywacja receptora po związaniu np. z NGF wywołuje dimeryzację receptora, co, wskutek uruchomienia kaskady reakcji, aktywuje kinazy tyrozynowe i czynniki transkrypcyjne odpowiedzialne za indukowanie przeżywania lub apoptozy komórek [28].

SZLAKI KINAZ

Docelowo, po związaniu neurotrofiny z odpowiednim receptorem aktywacji ulegają szlaki poszczególnych kinaz. Przykładem jednej z takich kinaz jest fosfolipaza C gamma 1 (PLC-γ1), która uczestniczy w przekazywaniu sygnałów m.in. z receptora dla BDNF. Gen PLC-γ1 zlokalizowany jest na chromosomie 20q12-q13.1. Jak dotąd, w genie tym opisano polimorfizm powtórzeń dinukleotydowych zlokalizowanego w intronie genu PLC-γ1 oraz polimorfizmy pojedynczego nukleotydu genu PLC-γ1 w obrębie regionu kodującego [29].

Innym przykładem kinaz biorących udział w przekazywaniu sygnału z receptorów dla neurotrofin jest kinaza Fyn, która ulega aktywacji po związaniu antygenu z receptorem związanym z IgE na powierzchni bazofilów i komórek tucznych. Uruchamia to szereg reakcji prowadzących do uwalniania mediatorów stanu zapalnego z ziarnistości komórek zapalnych [30]. Natomiast kinazą ulegającą aktywacji po związaniu NTF-3 z receptorem NTRK1 jest kinaza kinazy MAPK (MAPKKK). Kaskada kinazy MAPKKK aktywuje specyficzną kinazę MAPKK, która z kolei aktywuje specyficzną kinazę MAPK. Ulega ona aktywacji pod wpływem stresów środowiskowych takich jak szok osmotyczny, promieniowanie UV oraz czynniki zapalne.

PODSUMOWANIE

Podsumowując, ekspresja neurotrofin i ich receptorów oraz szlaki przekazywania sygnału, które aktywują, są odpowiedzialne za złożone interakcje neuroimmunologiczne w patofizjologii astmy atopowej. Poznanie dokładnego podłoża tych interakcji może w przyszłości posłużyć do opracowania nowych grup leków w terapii astmy, jak również do opracowania bardziej precyzyjnych narzędzi diagnostycznych tej choroby.

..............................................................................................................................................................

PIŚMIENNICTWO

1.    Nieber K., Baumgarten C.R., Rathsack R., Furkert J., Oehme P., Kunkel G.: Substance P and beta-endorphin-like immunoreactivity in lavage fluids of subjects with and without allergic asthma. J Allergy Clin Immunol 1992; 90 (4 Pt 1): 646-652.

2.    Renz H.: Neurotrophins in bronchial asthma. Respir Res 2001; 2 (5):265-268.

3.    Cheung D., van der Veen H., den Hartigh J., Dijkman J.H., Sterk P.J.: Effects of inhaled substance P on airway responsiveness to methacholine in asthmatic subjects in vivo. J Appl Physiol 1994; 77 (3): 1325-1332.

4.    Barnes P.J.: Neuroeffector mechanisms: the interface between inflammation and neuronal responses. J Allergy Clin Immunol 1996; 98 (5 Pt 2): S73-81; discussion S81-83.

5.    Hahn C., Islamian A.P., Renz H., Nockher W.A.: Airway epithelial cells produce neurotrophins and promote the survival of eosinophils during allergic airway inflammation. J Allergy Clin Immunol 2006; 117 (4): 787-794.

6.    Rost B., Hanf G., Ohnemus U. i wsp.: Monocytes of allergics and non-allergics produce, store and release the neurotrophins NGF, BDNF and NT-3. Regul Pept 2005; 124 (1-3): 19-25.

7.    Path G., Braun A., Meents N. i wsp.: Augmentation of allergic early-phase reaction by nerve growth factor. Am J Respir Crit Care Med 2002; 166 (6): 818-826.

8.    Braun A., Lommatzsch M., Mannsfeldt A. i wsp.: Cellular sources of enhanced brain-derived neurotrophic factor production in a mouse model of allergic inflammation. Am J Respir Cell Mol Biol 1999; 21 (4): 537-546.

9.    Rochlitzer S., Nassenstein C., Braun A.: The contribution of neurotrophins to the pathogenesis of allergic asthma. Biochem Soc Trans 2006; 34 (Pt 4): 594-599.

10.    Nockher W.A., Renz H.: Neurotrophins and asthma: novel insight into neuroimmune interaction. J Allergy Clin Immunol 2006; 117 (1): 67-71.

11.    Kerzel S., Path G., Nockher W.A. i wsp.: Pan-neurotrophin receptor p75 contributes to neuronal hyperreactivity and airway inflammation in a murine model of experimental asthma. Am J Respir Cell Mol Biol 2003; 28 (2): 170-178.

12.    Virchow J.C., Julius P., Lommatzsch M., Luttmann W., Renz H., Braun A.: Neurotrophins are increased in bronchoalveolar lavage fluid after segmental allergen provocation. Am J Respir Crit Care Med 1998; 158 (6): 2002-2005.

13.    Braun A., Lommatzsch M., Neuhaus-Steinmetz U. i wsp.: Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) contributes to neuronal dysfunction in a model of allergic airway inflammation. Br J Pharmacol 2004; 141 (3): 431-440.

14.    Lommatzsch M., Schloetcke K., Klotz J. i wsp.: Brain-derived neurotrophic factor in platelets and airflow limitation in asthma. Am J Respir Crit Care Med 2005; 171 (2): 115-120.

15.    Fox A.J., Patel H.J., Barnes P.J., Belvisi M.G.: Release of nerve growth factor by human pulmonary epithelial cells: role in airway inflammatory diseases. Eur J Pharmacol 2001; 424 (2): 159-162.

16.    Noga O., Englmann C., Hanf G., Grutzkau A., Seybold J., Kunkel G.: The production, storage and release of the neurotrophins nerve growth factor, brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 by human peripheral eosinophils in allergics and non-allergics. Clin Exp Allergy 2003; 33 (5): 649-654.

17.    Noga O., Hanf G., Schaper C., O’Connor A., Kunkel G.: The influence of inhalative corticosteroids on circulating Nerve Growth Factor, Brain-Derived Neurotrophic Factor and Neurotrophin-3 in allergic asthmatics. Clin Exp Allergy 2001; 31 (12): 1906-1912.

18.    Maisonpierre P.C., Le Beau M.M., Espinosa R., 3rd i wsp.: Human and rat brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3: gene structures, distributions, and chromosomal localizations. Genomics 1991; 10 (3): 558-568.

19.    Postma D.S., Meyers D.A., Jongepier H., Howard T.D., Koppelman G.H., Bleecker E.R.: Genomewide screen for pulmonary function in 200 families ascertained for asthma. Am J Respir Crit Care Med 2005; 172 (4): 446-452.

20.    Szczepankiewicz A., Bręborowicz A., Skibinska M., Wilkosc M., Tomaszewska M., Hauser J.: Association analysis of brain-derived neurotrophic factor gene polymorphisms in asthmatic children. Pediatr Allergy Immunol 2007; 18 (4): 293-297.

21.    Olgart Hoglund C., de Blay F., Oster J.P. i wsp.: Nerve growth factor levels and localisation in human asthmatic bronchi. Eur Respir J 2002; 20 (5): 1110-1116.

22.    Frossard N., Freund V., Advenier C.: Nerve growth factor and its receptors in asthma and inflammation. Eur J Pharmacol 2004; 500 (1-3): 453-465.

23.    Nassenstein C., Dawbarn D., Pollock K. i wsp.: Pulmonary distribution, regulation, and functional role of Trk receptors in a murine model of asthma. J Allergy Clin Immunol 2006; 118 (3): 597-605.

24.    Bonini S., Lambiase A., Bonini S. i wsp.: Circulating nerve growth factor levels are increased in humans with allergic diseases and asthma. Proc Natl Acad Sci U S A 1996; 93 (20): 10955-10960.

25.    Olgart C., Frossard N.: Human lung fibroblasts secrete nerve growth factor: effect of inflammatory cytokines and glucocorticoids. Eur Respir J 2001; 18 (1): 115-121.

26.    Freund V., Pons F., Joly V., Mathieu E., Martinet N., Frossard N.: Upregulation of nerve growth factor expression by human airway smooth muscle cells in inflammatory conditions. Eur Respir J 2002; 20 (2): 458-463.

27.    Bachar O., Adner M., Uddman R., Cardell L.O.: Prolonged exposure to NT-3 attenuates cholinergic nerve-mediated contractions in cultured murine airways. Respir Physiol Neurobiol 2005; 147 (1): 81-89.

28.    Hempstead B.L., Salzer J.L.: Neurobiology. A glial spin on neurotrophins. Science 2002; 298 (5596): 1184-1186.

29.    Ftouhi-Paquin N., Alda M., Grof P., Chretien N., Rouleau G., Turecki G.: Identification of three polymorphisms in the translated region of PLC-gamma1 and their investigation in lithium responsive bipolar disorder. Am J Med Genet 2001; 105 (3): 301-305.

30.    Galli S.J., Wedemeyer J., Tsai M.: Analyzing the roles of mast cells and basophils in host defense and other biological responses. Int J Hematol 2002; 75 (4): 363-369.

..............................................................................................................................................................

*Adres do korespondencji:

Aleksandra Szczepankiewicz
Klinika Pneumonologii, Alergologii Dziecięcej
i Immunologii Klinicznej
III Katedra Pediatrii UM
60-572 Poznań, ul. Szpitalna 27/33
tel.: +48 61 849 13 11
fax: +48 61 848 01 11
e-mail: alszczep@amp.edu.pl

Pracę nadesłano: 14.05.2008 r.
Przyjęto do druku: 09.06.2008 r.