The role of mesenchymal stem cell products in experimental asthma

Abstract

L’asma es una malaltia inflamatòria crònica que afecta aproximadament a 300 milions de persones en tot el mon. Aquesta malaltia es caracteritza principalment per un conjunt d’alteracions estructurals en les vies respiratòries, conegudes amb el terme de “remodelació”, el qual s’ha associat amb la severitat de la malaltia. De totes aquestes alteracions, l’augment de la massa de musculatura llisa induït per una hiperplàsia e hipertrofia de cèl·ules musculars llises (ASM), es el factor de major importància degut a la seva influencia sobre la obstrucció irreversible del flux i la hiperreactivitat de les vies respiratòries. Actualment, el tractament de l’asma es basa en el control de la inflamació, sense efecte demostrat sobre aquesta remodelació irreversible. L’únic tractament capaç d’actuar sobre aquesta l’alteració es la termoplàstia invasiva, amb un cost-efectivitat discutit i diversos fracassos terapèutics. En aquest context, les cèl·ules mare mesenquimals (MSC) exerceixen efectes inmunoreguladors de potencial interès terapèutic en la remodelació bronquial. No obstant, la seva infusió com a teràpia crònica s’enfronta a la possibilitat de que a traves del seu reclutament i diferenciació puguin participar en la remodelació bronquial, particularment en l’augment de la musculatura llisa. D’altra banda, dades addicionals obtingudes en asma experimental suggereixen que l’efecte terapèutic anti-remodelador de les MSC estan vehiculats per mediadors. Per tant, existeix d’una banda la necessitat d’entendre els mecanismes immunològics involucrats en el procés de remodelació i d’altra banda el desenvolupament de models animals de malaltia experimental amb capacitat de reproduir els mecanismes biològics amb un detall i profunditat lo mes similar possible als humans i permetre una millora en la comprensió i tractament de l’asma. Per tot això, en el present treball de tesis doctoral es va proposar desenvolupar un model d’asma al·èrgica basat en l’exposició local d’un al·ergen, i estudiar en aquest model la possible implicació de les MSC sobre les ASM in vitro. Addicionalment, es van estudiar els mecanismes immunològics de les MSC com a teràpia supressora sobre l’alteració estructural mitjançant sistemes de co-cultiu in vitro i en models desenvolupats in vivo. Els resultats obtinguts van demostrar un paper inductor de les cèl·ules T CD4+ al·ergen-especifiques en la remodelació de la musculatura llisa mitjançant mecanismes de contacte directe, la qual es va mesurar amb un anàlisis del cicle cel·ular per citometria de flux. Addicionalment, les MSC tenen la capacitat d’inhibir la proliferació de les ASM induïdes per cèl·ules T CD4+ nomes quan estan separades mitjançant una membrana permeable “Transwell” i es troben en ratios elevats (MSC:limfòcit). Es va observar que l’efecte supressor no estava vehiculat per exosomes i era secretat espontàniament sense prèvia senyalització. Així mateix, únicament els factors solubles compresos en un rang 30 a 100 kDa de pes molecular en aquest medi condicionat (CM) tenen la capacitat de induir aquest efecte supressor sobre les ASM. Aquest CM (30-100 kDa) generat, va ser testat a diferents dosis in vivo en el model desenvolupat amb anterioritat, i es va observar un efecte supressor en els mecanismes immunològics i el procés de remodelació únicament quan es tractaven als animals amb dosis baixes repetides de CM. Aquest efecte es generat per una possible desviació de la resposta immunitària d’un fenotip característic Th2 en asma al·èrgic, cap a un fenotip Th1/Th17 en les vies respiratòries. En aquest context, el CM de les MSC es postula com una estratègia terapèutica propicia sobre la reversió de la remodelació bronquial degut a una desviació en la resposta immunitària.

El asma es una enfermedad inflamatoria crónica que afecta aproximadamente a unos 300 millones de personas en todo el mundo. Esta enfermedad se caracteriza principalmente por un conjunto de alteraciones estructurales en las vías respiratorias, conocidos mediante el término de “remodelación”, el cual se ha asociado con la severidad de la enfermedad. De entre estas alteraciones, el aumento de la masa de musculo liso inducido por una hiperplasia e hipertrofia de células musculares lisas (ASM), es el factor considerado de mayor importancia debido a su influencia sobre la obstrucción irreversible del flujo aéreo y a la hiperreactividad de las vías respiratorias. Actualmente, el tratamiento del asma se basa en el control de la inflamación, sin efecto demostrado sobre el mecanismo de remodelación irreversible. El único tratamiento capaz de actuar sobre esta alteración es la termoplastia invasiva, con coste-efectividad discutido y varios fracasos terapéuticos. En este contexto, las células madre mesenquimales (MSC) ejercen efectos inmunoreguladores de potencial interés terapéutico en la remodelación bronquial. Sin embargo, su infusión como terapia crónica se enfrenta a la posibilidad de que a través de su reclutamiento y diferenciación puedan participar en la remodelación de las vías respiratorias, particularmente en el crecimiento del musculo liso. Por otra parte, datos adicionales obtenidos en asma experimental sugieren que el efecto terapéutico anti-remodelador de las MSC esta vehiculados por mediadores. Por tanto, existe por una parte la necesidad de comprender los mecanismos inmunológicos que contribuyen en el proceso de remodelación y por otra parte el desarrollo de modelos animales de enfermedad experimental capaces de reproducir los mecanismos biológicos con un detalle y profundidad los más similar posible en sujetos humanos y permitir una mejor comprensión y tratamiento del asma. Por todo ello, en el presente trabajo de tesis doctoral se propuso desarrollar un modelo de asma alérgica basado en la exposición local de un alérgeno, y estudiar en este modelo la posible implicación de las MSC sobre la remodelación del musculo bronquial in vitro. Adicionalmente, se estudió los mecanismos inmunomoduladores de las MSC como terapia supresora sobre esta alteración estructural mediante sistemas de co-cultivo in vitro y en el modelo desarrollado in vivo. Los resultados obtenidos demostraron un papel inductor de las células T CD4+ alérgeno-especificas en la remodelación del musculo liso mediante un mecanismo de contacto directo, la cual se midió mediante análisis de ciclo celular por citometría de flujo. Adicionalmente, las MSC son capaces de inhibir la proliferación de las ASM inducidas por células T CD4+ solamente cuando están separados mediante una membrana permeable “Transwell” y se encuentran en ratios elevados (MSC:linfocito). Además, se observó que este efecto supresor no estaba vehiculado por exosomas y era secretado espontáneamente sin previa señalización requerida. Asimismo, solamente los factores solubles comprendidos en un rango de 30 a 100 kDa de peso molecular que conforman este medio condicionado (CM) son capaces de inducir este efecto supresor sobre las ASM. Este CM (30-100 kDa) obtenido fue testado a diferentes dosis in vivo en el modelo desarrollado con anterioridad, observándose un efector supresor en los mecanismos inmunológicos y el proceso de remodelación solamente cuando se trataban a los animales con dosis bajas repetidas de CM. Este efecto es generado por una posible desviación de la respuesta inmunitaria de un fenotipo característico Th2 en asma alérgico, hacia un fenotipo Th1/Th17 en las vías respiratorias. Por tanto, el CM de las MSC se postula como una estrategia terapéutica prometedora sobre la reversión de la remodelación bronquial debido a una desviación de la respuesta inmunitaria.

Asthma is a chronic inflammatory disease that affects approximately 300 million people worldwide. During the last decades, its prevalence, morbidity, and mortality have increased especially in industrialized countries. This disease is mainly characterized by a set of structural alterations in the respiratory tract, defined by the term “remodeling”, which has been associated with the severity of the disease. Among these alterations, the increase in smooth muscle mass induced by hyperplasia and hypertrophy of smooth muscle cells are crucial factors due to their influence on irreversible airflow obstruction and airway hyperreactivity. Currently, asthma treatments based on the control of inflammation have not demonstrated relevant effects on the remodeling mechanism. The only treatment with the capacity to act on this alteration is invasive thermoplasty, with controversial cost-effectiveness and therapeutic failures. In this context, mesenchymal stem cells (MSC) have a potential therapeutic interest in bronchial remodeling due to their immunoregulatory effects. However, their infusion as a chronic therapy may induce recruitment and differentiation of these cells, which may then participate in airway remodeling, particularly in the smooth muscle growth. However, data from experimental asthma models suggest an anti-remodeling therapeutic effect of MSC, carried by soluble mediators. There is, therefore, a need to understand the immunological mechanisms that contribute to the remodeling process and develop experimental animal models capable of reproducing the physiopathological mechanisms as closely as possible to humans, to provide a better understanding and treatment of asthma. In the present doctoral thesis, it was proposed to develop an allergic asthma model based on primary airway exposure to allergen, to study the implication of MSC in airway remodeling in vitro. Additionally, the immunomodulatory mechanisms of the MSC were studied as a suppressive therapy on airway smooth muscle remodeling by in vitro co-culture systems, and in the in vivo model developed. The results obtained demonstrate a significant role of allergen-specific CD4+ T cells in smooth muscle proliferation through direct cell contact, which was measured by cell cycle analysis through flow cytometry. Additionally, MSC are able to inhibit smooth muscle cell proliferation induced by CD4+ T cells only when they were separated by “Transwell” permeable membranes, and were at high MSC: lymphocyte ratios. Moreover, it was observed that such suppressive effect was not carried by exosomes but mediated by secreted, soluble molecules without prior signaling. Only soluble factors in a range of 30 to 100 kDa molecular weight of MSC-conditioned medium (CM) are capable of suppress smooth muscle cell proliferation. This 30-100-kDa CM, when tested at different doses in vivo in the asthma model, demonstrated a suppressive effect on inflammation and airway remodeling, provided that the animals were treated with repeated low-dose CM. This effect was possibly generated by a deviation of the Th2 immune response towards a Th1/Th17 phenotype in the respiratory tract. In this context, the MSC CM is postulated as a promising therapeutic strategy to reverse airway remodeling through a deviation of the immune response.