Welke immunogische processen spelen zich af in de longen van COPD-patiënten met ernstig emfyseem? En hoe kan kennis hierover bijdragen aan een betere behandeling en misschien zelfs herstel voor deze patiënten? MedNet sprak erover met senior biomedisch onderzoeker Padmini Khedoe (PulmoScience lab, LUMC). Door middel van geavanceerd laboratoriumonderzoek wil zij meer te weten komen over de cellen en mediatoren die een rol spelen bij longemfyseem.
Bij COPD-patiënten kunnen ontstekingsreacties in de longen leiden tot irreversibele schade aan het longweefsel.1 Eerder onderzoek laat zien dat in de luchtwegen van COPD-patiënten het aantal CD4- en CD8-T-cellen verhoogd is.2 Welke cellen dieper in de longen, waaronder de alveoli, een rol spelen in het ontstekingsproces was tot voor kort nog niet bekend. “Een gemiste kans,” aldus Padmini Khedoe, “juist omdat de alveoli belangrijk zijn voor zuurstofwisseling en juist deze delen zijn aangedaan in longemfyseem.” Daarom besloot zij het alveolaire weefsel van patiënten met longemfyseem en controlepatiënten met elkaar te vergelijken.3
Geavanceerde laboratoriumtechnieken
Khedoe onderzocht het longweefsel van 15 patiënten met longemfyseem en 5 controlepatiënten. “Het weefsel van de emfyseempatiënten was afkomstig van mensen die, in het kader van een klinische studie, longvolumereductiechirurgie (LVRC) ondergingen. Het controleweefsel was afkomstig van patiënten met longkanker die een longresectie ondergingen. Van hen werd een stuk longweefsel gebruikt waarin zich geen tumorcellen bevonden”.
In het longweefsel bestudeerde Khedoe welke immuuncellen er aanwezig zijn, welke cytokines deze cellen produceren en hoe de verschillende celtypes zich ruimtelijk tot elkaar verhouden. Zij maakte daarvoor gebruik van geavanceerde laboratoriumtechnieken zoals Cytometry by Time Of Flight (CyTOF), een vorm van single-cell massa cytometrie en Imaging Mass Cytometry (IMC), een vorm van weefselanalyse.
CyTOF-techniek
“Met de CyTOF-techniek kun je heel gedetailleerd verschillende celtypen van elkaar onderscheiden én meer te weten komen over de activiteit van deze cellen. Hiervoor gebruik je met metaal gelabelde antilichamen, die gericht zijn tegen specifieke eiwitten op of in de cel. In totaal kun je wel 40 verschillende soorten eiwitten tegelijk identificeren, veel meer dan met klassieke flow cytometrie. De antilichamen die wij in onze experimenten gebruikten waren specifiek gericht tegen eiwitten op het celoppervlak van immuuncellen. Hierdoor konden wij precies bepalen welke typen immuuncellen er in het longweefsel aanwezig waren. Daarnaast gebruikten we antilichamen gericht tegen intracellulaire eiwitten. Daarmee konden wij bijvoorbeeld kijken naar transcriptiefactoren in de cel, die informatie geven over de activatie van bepaalde genen.”
Imaging Mass Cytometry
Met ‘Imaging Mass Cytometry’ keek Khedoe, met behulp van hetzelfde soort metaal-gelabelde antilichamen, naar de ruimtelijke oriëntatie van de cellen. Hierbij gebruikte ze, naast de antilichamen gericht tegen verschillende immuuncellen, ook antilichamen gericht tegen structurele cellen in de long, zoals de alveolaire epitheelcellen, endotheelcellen en fibroblasten. “Met deze techniek konden we in weefselcoupes precies zien waar de cellen zich in het weefsel en ten opzichte van elkaar bevonden.”
Samenwerking is essentieel
Om de studie te laten slagen was samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen essentieel. “Het longweefsel van de emfyseempatiënten dat wij in onze studie gebruikten, was afkomstig uit de baseline meting van een klinische trial.4 Deze werd geleid vanuit de afdeling Longziekten van het LUMC.1
Het tumor-vrije weefsel van de longkankerpatiënten verkregen wij via de afdeling pathologie. De laboratoriumexperimenten voerden promovenda Jia Li en ikzelf uit in samenwerking met de afdeling Immunologie, groep mucosale immunologie.2
Zij zijn experts op het gebied van de (imaging) CyTOF-techniek. Samen met onze bio-informatici analyseerden we de complexe data-analyses die bij deze techniek komen kijken. Bij deze studie komen zoveel aspecten samen. Dat kun je alleen tot een succes maken door de krachten van verschillende experts, zowel op het lab als in de kliniek, te bundelen.”
Centrale memory T-cellen
De resultaten van het onderzoek laten zien dat bepaalde typen immuuncellen in verhoogde mate voorkomen in het alveolaire weefsel van emfyseempatiënten. “Op basis van de markers op en in de cellen weten we dat het gaat om zogenaamde ‘centrale memory CD4- en CD8-T-cellen’, ofwel CD4- en CD8 Tcm. Dit zijn T-cellen die al eerder met een antigeen in aanraking zijn geweest en die zich normaal gesproken buiten de longen, in de circulatie en in het lymfoïde weefsel bevinden. Bij de emfyseempatiënten zijn zij waarschijnlijk via de circulatie naar het longweefsel gemigreerd. We zagen ook dat deze cellen, na stimulatie, meer interleukine-17A (CD4 Tcm) en interferon-gamma (CD8 Tcm) produceren dan de cellen van de controlepatiënten. Dit duidt op een T-helper 17- en T-helper1-respons.
Naast een toename van centrale memory T-cellen zagen we ook dat bepaalde typen antigeen presenterende cellen, namelijk CD1c+ dendritische cellen, in verhoogde mate voorkomen bij emfyseempatiënten. De ‘imaging mass cytometry’-analyses laten ten slotte zien dat de CD8 Tcm-cellen en de dendritische cellen vaak op dezelfde plaats in het weefsel voorkomen. Dit kan duiden op een interactie tussen deze 2 celtypes.”
Nader onderzoek
Naar de exacte betekenis van deze resultaten gaan Khedoe en haar collega’s de komende jaren nader onderzoek doen. “In speciaal geoptimaliseerde weefselkweekmodellen, met cellen afkomstig van patiënten, willen we kijken naar de interactie tussen de CD8 Tcm en de dendritische cellen, en de verschillende soorten en hoeveelheden cytokines die zij produceren. Ook willen we onderzoeken wat het effect hiervan is op endotheelcellen en alveolaire cellen, en daarmee op weefselschade. Dit laatste borduurt voort op eerdere experimenten waarin we, met imaging CyTOF, hebben aangetoond dat de microvasculaire endotheelcellen eerder verdwijnen dan de alveolaire epitheelcellen.5
Tot slot willen we weten waarom de centrale memory T-cellen, die zich normaal gesproken vooral in de circulatie en in lymfoïde organen bevinden, bij emfyseempatiënten zo lang in de longen aanwezig blijven. Is dat omdat ze niet weg kunnen omdat er geen structuur meer is om terug te keren naar de bloedbaan, of is er nog een prikkel aanwezig waardoor ze geactiveerd worden? Alles bij elkaar is er nog genoeg te onderzoeken voordat we het hele mechanisme opgehelderd hebben.”
Identificeren en remmen
Hoe kunnen de resultaten van dit laboratoriumonderzoek op termijn vertaald worden naar de klinische praktijk? Khedoe: “Eigenlijk zou je in een vroeg stadium van COPD al willen weten of een patiënt te maken gaat krijgen met ernstige longschade en een sterke progressieve achteruitgang van de longfunctie, of dat de situatie naar verwachting relatief stabiel zal blijven. Hiervoor zou je bijvoorbeeld patiënten willen identificeren bij wie er in de longen veel CD8 T-cellen actief zijn en vervolgens specifieke subsets van deze cellen, en de cytokines die zij produceren, willen remmen. Maar voordat we zover zijn, is er nog een lange weg te gaan. Toch hoop ik met dit onderzoek uiteindelijk bij te dragen aan een betere behandeling, en misschien zelfs het herstel van het longweefsel, voor patiënten met longemfyseem.”
Referenties:
- Agustí A, Hogg JC. Update on the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med. 2019;381:1248-56.
- Hogg JC, Chu F, Utokaparch S, et al. The nature of small-airway obstruction in chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med. 2004;350:2645-53.
- Jia L, Li N, Abdelaal TRM, et al. High-dimensional mass cytometry reveals emphysema-associated changes in the pulmonary immune system. Am J Respir Crit Care Med. 2024;210:1002-16.
- Jia L, Li N, Van Unen V, et al. Pulmonary and systemic immune profiles following lung volume reduction surgery and allogeneic mesenchymal stromal cell treatment in emphysema. Cells. 2024;13:1636.
- Ravi A, Jia L, Wu X, et al. Loss of pulmonary endothelial cells in emphysema impairs support of human alveolar epithelial cell growth. Am J Respir Cell Mol Biol. 2024;70:149-52.