Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a slow, progressive disorder which results in a gradual loss of lung function. Cigarette smoke is a major risk factor for COPD, although biomass fuel, outdoor air pollution, bacteria and childhood respiratory viruses have all been proposed to play a role in the disease. The sustained inflammation typical of COPD is characterized by inflammatory cytokine production and the recruitment of several cell types to the lungs, most specifically CD8+ T cells. These cytotoxic cells are increased in both the central and peripheral airways of COPD patients, and are normally located within the submucosa and invading the epithelium. Toll-like receptors (TLR) are transmembrane receptors which respond to foreign microbes through specific pathogen-associated molecular patterns. Once a pathogen breaches the epithelium, the first line of defense of the airways, these receptors are activated and elicit an appropriate inflammatory response. Consequently, there has been growing interest in the role of TLRs in COPD as a site for potential therapy. We hypothesized that TLR expression is increased in COPD patients compared to control subjects and that this increase is mediated by cigarette smoke exposure. Bronchial biopsies, peripheral blood, and primary cells were used to investigate the expression and regulation of TLRs in response to cigarette smoke exposure. The bronchial biopsies from COPD patients and healthy control subjects had similar TLR4 and TLR9 expression in the submucosa as well as in the epithelial layer. Interestingly, patients with COPD had 90% of lung CD8+ T cells express TLR4 and TLR9 compared to less than 20% in control subjects. In contrast, peripheral blood CD8+ T cells lacked significant TLR expression in both groups. This suggests that cigarette smoke may be causing the increased TLR expression locally in the lungs of COPD patients, as this was not observed in control subjects or peripheral blood. CD8+ T cells isolated from COPD patients and exposed to cigarette smoke increased the protein expression of TLR4 and TLR9, as well as several inflammatory cytokines including, IL-1β, IL-6, TNF-α, and IFN-γ. Normal human bronchial epithelial cells (NHBE) exposed to cigarette smoke were able to produce more IL-8 than COPD-diseased human bronchial epithelial cells (DHBE) indicating a potential failure in immune function in the diseased cells. Finally, with the use of signaling pathway inhibitors, it was demonstrated that the IL-8 induction was both TLR4- and extracellular regulated kinase (ERK) 1/2- dependent in epithelial cells.Collectively, the data of this thesis demonstrates the complex role of TLRs in COPD pathogenesis. Our study reveals that there are cell-specific mechanisms by which cigarette smoke induces TLR-dependent inflammatory cytokine production. Furthermore, it seems that TLRs play a dual role in COPD, by initiating inflammation following cigarette smoke exposure, as was seen with the epithelial cells, as well as perpetuating the inflammation in diseased patients, as was demonstrated with the CD8+ T cells. This research is a first step towards understanding the complex relationship between specific lung cell types in COPD pathogenesis in response to cigarette smoking and suggests that the use of anti-TLR therapy may be beneficial in alleviating inflammation. / La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) est un trouble évoluant lentement et progressivement qui est caractérisé par une perte graduelle de la fonction pulmonaire. La fumée de cigarette est un facteur de risque majeur de la MPOC, mais il a été proposé que les combustibles à base de biomasse, la pollution de l'air, les bactéries, et les virus respiratoires infantiles jouent aussi un rôle dans la maladie. L'inflammation typique de la MPOC est caractérisée par la production de cytokines inflammatoires et le recrutement pulmonaire de plusieurs types de cellules, mais principalement de cellules T CD8+. Ces cellules cytotoxiques augmentent en nombre dans les voies respiratoires centrales et périphériques, et sont généralement situées à l'intérieur des sous-muqueuses et de l'épithélium. Les récepteurs de type Toll (TLR) sont des récepteurs transmembranaires qui utilisent des voies moléculaires spécifiques pour répondre à des microbes. Lorsqu'un pathogène passe à travers la première ligne de défense des voies respiratoires, soit l'épithélium, ces récepteurs sont activés et provoquent une réponse inflammatoire. Le rôle des TLRs dans la MPOC suscite un intérêt grandissant, vu leur utilisation potentielle dans le traitement de la maladie. Notre hypothèse est que l'expression des TLR est plus élevée chez les patients souffrant de la MPOC que chez les sujets contrôles, et que l'exposition à la fumée de cigarette joue un rôle dans cette augmentation. Nous avons utilisé des biopsies de bronches, du sang périphérique, et des cellules primaires pour étudier l'expression des TLRs suite à une exposition à la fumée de cigarette. Les biopsies bronchiales des patients souffrant de MPOC et les sujets contrôles avaient une expression similaire de TLR4 and TLR9 dans les sous-muqueuses, ainsi que dans la couche épithéliale. Dans les poumons, 90% des cellules T CD8+ des patients souffrant de MPOC expriment TLR4 et TLR9, comparé à 20% chez les contrôles. Par contre, dans le sang périphérique, les cellules T CD8+ n'expriment pas les TLRs de façon significative, et ce dans les deux groupes. Ceci suggère que la fumée de cigarette pourrait être la cause de l'augmentation des TLR spécifiquement dans les poumons de patients souffrant de la MPOC, puisque cette augmentation n'a pas été observée chez les contrôles, ni dans le sang périphérique. Les cellules T CD8+ isolées de patients souffrant de la MPOC et exposées à de la fumée de cigarette augmentent non seulement l'expression de TLR4 et TLR9, mais aussi l'expression de diverses cytokines inflammatoires telles que IL-1β, IL-6, TNF-α, et IFN-γ. Suite à une exposition à la fumée de cigarette, les cellules épithéliales bronchiales humaines normales (EBHN) ont été capable de produire plus d'IL-8 que les cellules épithéliales bronchiales humaines malades de MPOC (EBHM), ce qui indique un échec potentiel de la fonction immunitaire des cellules malades. En dernier lieu, avec l'aide d'inhibiteurs de voies métaboliques, nous avons montré que l'induction d'IL-8 est dépendante de TLR4 et de la kinase régulée de façon extracellulaire (ERK) 1/2 dans les cellules épithéliales.Mises ensemble, les données de cette thèse montrent un rôle complexe des TLRs dans la MPOC. Notre étude révèle qu'il existe des mécanismes spécifiques à certaines cellules par lesquels la fumée de cigarette induit une production de cytokines inflammatoires en passant par les TLRs. Il semble d'ailleurs que les TLRs jouent un double rôle dans la MPOC, en initiant l'inflammation suite à l'exposition à la fumée de cigarette, tel que montré avec les cellules EBHN, et en perpétuant l'inflammation chez les patients malades, tel que montré avec les cellules T CD8+. Cette recherche est un premier pas vers la compréhension de la relation entre les différents types cellulaires pulmonaires dans la MPOC en réponse à la fumée de cigarette, et suggère que l'utilisation d'un traitement anti-TLR pourrait être bénéfique pour diminuer l'inflammation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114220 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Nadigel, Jessica |
| Contributors | David H Eidelman (Supervisor2), Qutayba Hamid Al Heialy (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pathology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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