In experimental asthma, allergen challenges cause airway structural changes, termed remodeling, including an increase in smooth muscle (SM) mass and goblet cell metaplasia. These changes are substantially mediated via the epidermal growth factor receptor (EGFR) and its axis of ligands. The causal relationship between remodeling and another key asthmatic feature, airway hyperresponsiveness (AHR) has not been clearly established. The first objective was to investigate the site of airway narrowing in response to a single allergen challenge. We used two approaches, a morphometric assessment and an analysis of respiratory mechanics, using the constant phase model to partition the site of responses. We snap froze lungs during the early allergic airway response (EAR) and performed a morphometric analysis of airway luminal areas. Interestingly, the EAR response demonstrated an initial, transient response in the large airways yet, a more sustained response in the peripheral lung. We reasoned that in peripheral airways, the perturbation of the surface tension of the airway lining fluid by protein leak from the vasculature may have contributed to the response. The role of exogenous, natural surfactant in the EAR has not been explored extensively. The surfactant used largely contained surfactant protein (SP)-B but lacked SP-A and SP-D, both of which confer immunomodulatory properties on surfactant. We confirmed that effects of the surfactant may not have been purely via physical properties but also by immunomodulation. This notion was confirmed as surfactant inhibited the mast cell mediators, cysteinyl-leukotrienes and amphiregulin, in vivo.We next investigated the relationship between allergen-induced AHR and airway remodeling. We induced airway remodeling using the Brown Norway rat undergoing three multiple challenges with the sensitizing antigen ovalbumin. We used the constant phase model to evaluate mechanical responses to inhaled aerosols of methacholine. AHR in the peripheral lung compartment and airway remodeling across all airway sizes were observed 48 h after the last of three allergen challenges. The corticosteroid budesonide (0.1mg/kg), used to further probe the relationship between airway remodeling and AHR, was sufficient to inhibit remodeling but not AHR. At one week, AHR did not persist despite the remodeling. Finally we examined the contractile SM properties 48 h after the last allergen challenge and studied whether inhibition of the EGFR modulated the SM phenotype and AHR. We used laser capture microdissection to harvest SM and epithelial cells for the assessment of mRNA expression. As earlier observed, AHR was induced, but only in the periphery despite increases in SM-myosin heavy chain (sm-MHC) gene expression and growth of SM in the larger airways. EGFR inhibition decreased all these outcomes in addition to SM growth across all airways and inflammation.In conclusion, the site of allergic airway narrowing is initially located in the central airways and over time develops in the lung periphery. Modulation of surface tension influences the magnitude of airway narrowing during the EAR. After multiple allergen challenges, AHR is placed in the peripheral airways exclusively despite airway remodeling in the central airways and increased sm-MHC gene expression in the muscle in these airways, all of which were reduced by EGFR inhibition. Our studies show that the relationship between airway remodeling and AHR is not a simple one and the two phenomena seem to be dissociated in the rat model of allergic asthma. / L'exposition chronique aux allergènes provoque des changements structurels des voies respiratoires qualifiés de remodelage. Ces changements sont substantiellement véhiculés par le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) et de ses ligands. La relation entre le remodelage et l'hyperréactivité bronchique (HRB), un autre élément clé de l'asthme, n'a pas été clairement établie. Le premier objectif de ce travail était de définir le site de l'obstruction des voies aériennes, induite par une exposition allergénique. Nous avons utilisés deux approches, l'analyse morphométrique des voies aériennes et la mesure des mécaniques respiratoires en utilisant le modèle de phase constante. L'analyse morphométrique indique que les voies aériennes périphériques sont responsables de l'HRB induite par l'allergène. La réponse allergique immédiate (RAI) était associée à une bronchoconstriction transitoire dans les larges voies respiratoires, suivi d'une réponse dans le compartiment périphérique du poumon. Nous avons émis l'hypothèse que cette réponse pourrait résulter d'une perturbation des tensions de surface des voies aériennes périphériques due à une extravasation de protéines plasmatiques. La stabilité des voies aériennes périphériques peut être influencée par les protéines du surfactant. L'apport exogène de protéines de surfactant naturel a été exploré. Le surfactant utilisé était majoritairement composé de protéines B du surfactant, SP-B, mais ne contenait ni SP-A ni SP-D aux propriétés immunomodulatrices. Nous avons démontré que le surfactant avait des effets physiques mais aussi pouvait être immunomodulateur. La réduction des concentrations des médiateurs mastocytaires, les leukotriènes et l'amphiréguline, dans les lavages broncho-alvéolaires confirme cette notion. Dans le but de mieux comprendre la relation entre remodelage et HRB, nous avons induit le remodelage bronchique chez des rats BN provoqués chroniquement à l'ovalbumine. Les mesures de mécanique respiratoire ont été réalisées en appliquant le modèle de phase constante afin de distinguer les sites pulmonaires impliqués dans la bronchoconstriction induite par des doses croissantes de métacholine. Deux jours après la dernière des trois provocations L'HRB était présente dans le compartiment périphérique du poumon alors que le remodelage était présent dans toutes les voies aériennes. Le budésonide, un anti-inflammatoire corticostéroïdien utilisé pour mettre en évidence la relation entre l'HRB et le remodelage, a inhibé le remodelage sans affecter l'HRB. A l'inverse du remodelage, L'HRB n'a pas persistée après une semaine. Finalement le phénotype contractile du muscle lisse (ML) et le rôle du récepteur EGFR ont été étudiés dans le modèle de provocations allergénique répétées. Nous avons utilisé la capture par microdissection laser pour évaluer l'expression génique dans le ML et l'épithélium. Comme précédemment observé L'HRB a été induite uniquement dans les voies aériennes périphériques bien que l'expression du gène de la chaîne lourde de myosine et l'hyperplasie du ML aient été observées dans les larges voies aériennes. L'inhibition du récepteur EGFR a réduit l'expression de la chaine lourde de myosine, l'HRB et le remodelage du ML ainsi que l'inflammation.En conclusion le site de l'obstruction bronchique est initialement localisé dans les voies aériennes centrales avant de se développer en périphérie. La modulation de la tension de surface influence l'amplitude de l'obstruction bronchique durant la RAI. Les provocations allergéniques répétées entraine une HRB exclusivement périphérique malgré l'apparition d'un remodelage du ML et d'une augmentation d'expression de la chaine lourde de myosine dans les voies aériennes centrales. Toutes ces dernières manifestations ont été réduites par l'inhibition du récepteur EGFR. Nos travaux démontrent une relation complexe entre HRB et remodelage, deux phénomènes dissociés dans le modèle d'asthme allergique chez le rat.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104472 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Siddiqui, Sana |
| Contributors | James G Martin (Supervisor) |
| 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 Medicine) |
| 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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