Nebulized anti-coagulants as a therapy for acute lung injury and acute respiratory distress syndrome

Abstract

La síndrome de distrés respiratori agut (ARDS) és una insuficiència respiratòria aguda amb una incidència global a Europa de 17,9 per cada 100.000 persones-any. Tot i els avenços en el tractament de suport dels pacients amb ARDS, la mortalitat continua sent alta (40%) i els pacients que sobreviuen presenten seqüeles persistents. Actualment no existeix un tractament efectiu. La fisiopatologia de l’ARDS es caracteritza per l’activació de la coagulació i la inflamació a nivell pulmonar, juntament amb el trencament de la barrera alveolar-capil·lar. Això comporta la formació d’edema proteic, la infiltració dels neutròfils cap al compartiment alveolar i l'activació dels macròfags cap a un fenotip pro-inflamatori. Estudis previs en models pre-clínics de lesió pulmonar aguda (ALI) i en pacients amb ARDS han demostrat els efectes beneficiosos del anti-coagulants, tot i que aquests efectes positius es veuen contrarestats pel risc d’hemorràgia sistèmica. Els anti-coagulants podrien ser efectius gràcies a la seva activitat anti-inflamatòria a més de les seves propietats anti-coagulants. Atesa l’estreta interacció entre aquestes vies i la seva influència en la permeabilitat, els anti-coagulants també podrien restaurar la barrera alveolar-capil·lar. La nebulització dels anti-coagulants directament al compartiment alveolar podria augmentar l'eficàcia local i disminuir el risc d'hemorràgia sistèmica. La hipòtesi d'aquesta tesi és que l'heparina nebulitzada i/o antitrombina (ATIII) limitaran la resposta pro-inflamatòria i pro-coagulant pulmonar després de la LPA, promovent, també, la restauració de la barrera alveolar-capil·lar. La co-administració dels anti-coagulants directament als pulmons mitjançant nebulització produirà un efecte sinèrgic que potenciarà les propietats de l'heparina i l’ATIII, reduint la lesió pulmonar i evitant el risc d'hemorràgia sistèmica. Com a part d’aquesta tesi es mostren els resultats de l'acció de l'heparina o l’ATIII específicament en poblacions pulmonars primàries de cèl·lules humanes lesionades i l'administració directa d'heparina i/o ATIII als pulmons per nebulització en un model de rata d’ALI. La nebulització d'heparina i/o d’ATIII atenuen la inflamació i coagulació pulmonar sense produir hemorràgia sistèmica en el model d’ALI. El tractament amb heparina nebulitzada modula els macròfags alveolars mitjançant la reducció dels efectors de TGF-β i NF-κB i la via de coagulació i disminueix el reclutament de neutròfils a l'espai alveolar. L'administració local d'ATIII augmenta els efectes beneficiosos en la coagulació, mentre que la combinació d'ATIII i heparina tenen un major impacte en la reducció de la permeabilitat i la disminució de la infiltració de macròfags en el compartiment alveolar. En estudiar l'acció translacional en humans d'ambdós anti-coagulants en poblacions cel·lulars humanes lesionades aïllades de biòpsies pulmonars, l'heparina disminueix l'expressió de marcadors proinflamatoris en els macròfags alveolars i desactiva la via NF-κB en cèl·lules alveolars tipus II; disminuint l'expressió dels seus mediadors i efectors. D’altra banda, l'ATIII redueix els nivells de mediadors proinflamatoris i augmenta les unions estretes en les cèl·lules alveolars tipus II lesionades. Els estudis actuals demostren que l'heparina nebulitzada i l'ATIII poden ser un tractament potencial per a la ARDS, ja que actuen en diferents vies i processos de la fisiopatologia d’aquesta síndrome. L'administració local d'anti-coagulants atenua la lesió pulmonar disminuint la inflamació, la coagulació i proveeix millores en la permeabilitat sense causar hemorràgia sistèmica.

Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is an acute respiratory failure with a global incidence in Europe of 17.9 per 100,000 person-year. Although significant advances have been performed in supportive care of patients with ARDS, mortality remains high (40%) and survivors present persistent sequelae. An effective pharmacological therapy for this syndrome is not available yet. ARDS pathophysiology involves pulmonary activated coagulation and inflammation together with the breakdown of the alveolar-capillary barrier. This leads to proteinaceous edema, neutrophils infiltration into the alveolar compartment and the activation of macrophages towards a pro-inflammatory phenotype. Beneficial effects of anti-coagulants have been proved in pre-clinical models of acute lung injury (ALI) and in ARDS patients, although systemic bleeding offset its positive effects. Anti-coagulants could be effective for their anti-inflammatory activity in addition to their anti-coagulant properties. Moreover, given the cross talk of these pathways and their influence on permeability, anti-coagulants could also restore the alveolar-capillary barrier. Nebulization of anti-coagulants directly into the alveolar compartment might increase local efficacy and decrease the risk of systemic bleeding. The hypothesis of this thesis is that nebulized heparin and/or antithrombin (ATIII) limit the pro-inflammatory and pro-coagulant response in the lungs after ALI, also promoting the restoration of the alveolar-capillary barrier. The co-administration of both anti-coagulants directly into the lungs via nebulization produces a synergistic effect enhancing the properties of heparin and ATIII, reducing lung injury and avoiding the risk of systemic bleeding. As part of this thesis we are showing the results of the action of heparin or ATIII in specific primary human injured cell lung populations and the direct administration of heparin and/or ATIII into the lungs by nebulization in a rat model of ALI. Nebulized heparin and/or ATIII attenuated pulmonary inflammation and coagulation and did not produce systemic bleeding in the model of ALI. Treatment with nebulized heparin modulated alveolar macrophages through reducing TGF-β and NF-κB effectors and the coagulation pathway and decreased the recruitment of neutrophils into the alveolar space. Local administration of ATIII alone increased beneficial effects in coagulation, while combined ATIII and heparin had a higher impact reducing permeability and decreasing the infiltration of macrophages into the alveolar compartment. The translational action into humans of both anti-coagulants was also studied. In injured human cell lung populations isolated from lung biopsies, heparin diminished the expression of pro-inflammatory markers in alveolar macrophages and deactivated the NF-κB pathway in alveolar type II cells; decreasing the expression of its mediators and effectors. Also, ATIII decreased levels of pro-inflammatory mediators and increased levels of tight junctions in injured alveolar type II cells. The current studies prove that nebulized heparin and ATIII might be a potential treatment for ARDS, as they act in different pathways and processes of the pathophysiology of this syndrome. Local administration of anti-coagulants attenuates lung injury decreasing inflammation, coagulation and proving ameliorations on permeability without causing systemic bleeding.