Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by a non-fully reversible airflow limitation and a chronic inflammatory response accompanied by the development of emphysema. The β2-adrenoceptor agonists and anticholinergic agents are widely used in patients with COPD due to their bronchodilator properties. Today, many studies in vitro and in vivo in experimental animal models have shown that these bronchodilators also exert anti-inflammatory effects, but their protective roles against lung inflammation and the development of emphysema in patients with COPD remain to be determined.
The imbalance between the activity of matrix metalloproteinases (MMPs) and their specific tissue inhibitors (TIMPs) is considered to play a key role in the pathogenesis of COPD, especially in the development of pulmonary emphysema. The modulation of inflammatory responses and emphysema via the inhibition of the MMPs activity induced by the use of synthetic inhibitors of MMPs suggests that MMPs may be therapeutic targets for COPD patients. However, very few studies have demonstrated the regulation exerted by β2-adrenoceptor agonists and anticholinergic agents on the activity of MMPs.
The combination of β2-adrenoceptor agonists with anticholinergic agents has been found to exert an additive and even synergistic bronchodilator effect, but nothing is known about their combination on the inflammatory pathogenesis and the development of emphysema. Thus, a better knowledge of the activities of β2-adrenoceptor agonists and anticholinergic agents on controlling pulmonary inflammation and emphysema in COPD could provide a new therapeutic approach in this area.
The first goal of the present work was to investigate the effects of formoterol, a β2-adrenoceptor agonist and/or ipratropium bromide, an anticholinergic agent, on acute pulmonary inflammation induced by cadmium inhalation in rats. In addition, we examined whether the expected anti-inflammatory effects of formoterol and/or of ipratropium bromide were associated with a modulation of the gelatinase A (MMP-2), gelatinase B (MMP-9) and macrophage metalloelastase (MMP-12) activity.
Compared with the data observed in rats exposed to a single dose of cadmium, the pre-administration of formoterol or ipratropium bromide inhibited the cadmium-induced increase in airway resistance. Formoterol significantly reduced the total cell, neutrophil and macrophage counts in bronchoalveolar lavage fluid (BALF), whereas, ipratropium bromide only reduced the neutrophil number. Both bronchodilators administrated alone attenuated significantly the lung lesions associated with parenchyma inflammatory cell influx and congestion observed in cadmium-group. The increased MMP-9 activity was significantly attenuated. A reduction of pulmonary edema was also detected by measuring the lung wet-to-dry weight ratio. However, no additive or synergistic effect was obtained when formoterol was administrated in combination with ipratropium bromide.
In conclusion, formoterol and ipratropium bromide partially protect the lungs against inflammation by reducing the neutrophilic infiltration. This protective effect may be related to the reduction of MMP-9 activity which plays an important role in the acute inflammation.
Up to now, the impact of a long-term administration of bronchodilators aiming to control the chronic inflammation and the development of emphysema in experimental animal models and in patients with COPD has been poorly investigated. In this context, it was rational to investigate whether the protective role of formoterol and ipratropium bromide identified in acute conditions persists in a rat model of subacute neutrophilic pulmonary inflammation with an enlargement of airspaces. In the second part of this study, we also intended to determine whether these anti-inflammatory effects are related to the modulation of imbalance between MMPs and TIMPs.
Though ipratropium induced no effect on the subacute pulmonary inflammation and the airspace enlargement induced by repeated cadmium inhalations during 5 weeks in rats, formoterol elicited marked anti-inflammatory effects on the increase of total cell and neutrophil counts as well as the activity of MMP-9 mainly expressed in alveolar macrophages and epithelial cells. This drug also prevented the inflammatory infiltration in alveoli and in interstitial tissue and significantly inhibited the airspace enlargement as demonstrated by the significant decrease in the mean linear intercept (Lm). The combination of both bronchodilators at inefficient concentrations induced synergistic inhibitory effects on the total cell and neutrophil counts and on the cadmium-induced increased Lm associated with a reduction of MMP-9 activity in BALF.
These data suggest that formoterol alone or combined with ipratropium could protect lungs against subacute pulmonary inflammation and the airspace enlargement by inhibiting neutrophilic infiltration via the reduction of MMP-9 activity.
To the best of our knowledge, this is the first report which reveals the anti-inflammatory effects of β2-adrenoceptor agonists and anticholinergic agents in an animal model which mimics the main features of COPD. The data obtained in this work contribute to identify new therapeutic targets in COPD for drugs currently used in clinical practice./
La broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) est caractérisée essentiellement par une limitation du débit aérien qui n'est pas entièrement réversible et une inflammation chronique pulmonaire accompagnée dun développement demphysème. Les agonistes β2-adrénergiques et les anticholinergiques sont largement utilisés chez les patients atteints de BPCO en raison de leurs propriétés bronchodilatatrices. Aujourdhui, de nombreuses études expérimentales in vitro et in vivo, utilisant des modèles animaux, ont montré que ces bronchodilatateurs exerçaient également des effets anti-inflammatoires. Leur rôle protecteur contre linflammation pulmonaire et le développement d'emphysème chez des patients souffrant de BPCO reste à déterminer.
Le déséquilibre entre les métalloprotéinases de la matrice (MMPs) et leurs inhibiteurs tissulaires (TIMPs) est considéré comme un mécanisme clé dans lévolution de la maladie et surtout dans le développement d'emphysème pulmonaire. La modulation des réactions inflammatoires et de lemphysème obtenue grâce à la réduction de lactivité des MMPs induite par des inhibiteurs synthétiques suggère que les MMPs pourraient être des cibles thérapeutiques importantes dans le traitement de la BPCO. Mais jusquà ce jour, très peu détudes ont été consacrées à la régulation de lactivité des MMPs par les agonistes β2-adrénergiques et les anticholinergiques.
Lassociation dun agoniste β2-adrénergique avec un anticholinergique donne lieu à une amplification des effets bronchodilatateurs, mais il nest pas certain que leur combinaison débouche sur des effets additifs ou synergiques sur le plan dun meilleur contrôle de la réaction inflammatoire. Ainsi, une meilleure connaissance des activités des agonistes β2-adrénergiques et des anticholinergiques visant au contrôle de l'inflammation pulmonaire et de l'emphysème dans la BPCO pourrait fournir une nouvelle approche thérapeutique dans ce domaine.
Lobjectif de la première partie de ce travail était donc d'étudier les effets du formotérol, un agoniste β2-adrénergique et / ou du bromure d'ipratropium, un anticholinergique, sur l'inflammation pulmonaire aiguë provoquée par linhalation de cadmium chez le rat. En outre, nous voulions aussi vérifier si ces effets anti-inflammatoires étaient associés à une modulation de lactivité de la gélatinase A (MMP-2), de la gélatinase B (MMP-9) et de la métallo-élastase du macrophage (MMP-12).
Par rapport aux effets observés chez des rats exposés à une dose de cadmium, ladministration préventive de formotérol ou de bromure dipratropium a atténué laugmentation de la résistance des voies aériennes. Le formotérol a induit une diminution significative du nombre de cellules totales, des neutrophiles et des macrophages dans le liquide de lavage broncho-alvéolaire (BALF). Par contre, le bromure dipratropium na entraîné quune diminution du nombre de neutrophiles. Les lésions pulmonaires caractérisées par de la congestion et une réaction inflammatoire du parenchyme ont été significativement inhibées par ces deux bronchodilatateurs administrés séparément. Lélévation remarquable de lactivité de MMP-9 dans le BALF a été significativement atténuée par le prétraitement au formotérol ou au bromure dipratropium. Il en est de même pour ldème pulmonaire évalué par le biais du rapport entre le poids humide et le poids sec du parenchyme. Lorsque les deux principes actifs ont été combinés et administrés préventivement à laction du cadmium, aucun effet synergique ou additif na été constaté.
En conclusion, le formotérol et le bromure dipratropium préviennent partiellement linflammation pulmonaire aiguë en réduisant linfiltration neutrophilique du parenchyme pulmonaire faisant suite à une exposition aiguë au cadmium. Cet effet protecteur pourrait être lié à une réduction de lactivité de MMP-9 qui joue un rôle pro-inflammatoire important dans linflammation aiguë.
Jusquici, les effets potentiels des bronchodilatateurs contre linflammation chronique et lévolution de lemphysème pulmonaire chez des animaux et chez les patients atteints de BPCO restent mal connus. Il nous restait donc à vérifier si les effets protecteurs du formotérol et du bromure dipratropium révélés par nos premières études au cours desquelles les rats ont été exposés de manière aiguë au cadmium persistent dans un modèle dinflammation pulmonaire subaiguë accompagnée dun élargissement des espaces aériens. Nous voulions également déterminer si ces effets étaient liés à la modulation du déséquilibre entre les MMP-2/9/12 et les TIMP-1/2.
Bien que le bromure dipratropium nait aucun effet sur linflammation subaiguë pulmonaire et lélargissement des espaces aériens induits par des inhalations répétées de cadmium chez le rat, le prétraitement par du formotérol a, quant à lui, inhibé significativement laugmentation du nombre de cellules totales et des neutrophiles ainsi que de lactivité de MMP-9 exprimée principalement dans les macrophages et les cellules épithéliales alvéolaires. En outre, une atténuation importante des lésions pulmonaires caractérisées par un élargissement des espaces aériens les plus distaux et une infiltration de cellules inflammatoires dans les alvéoles et le tissu ont été observées. La combinaison des deux bronchodilatateurs, à des concentrations pourtant inefficaces, a provoqué un effet synergique sur la plupart des paramètres étudiés, en particulier sur linfiltration par les neutrophiles et lactivité de MMP-9 dans le BALF.
Ce travail suggère que le formotérol, seul ou combiné avec le bromure dipratropium, pourrait protéger partiellement les poumons contre linflammation pulmonaire et lélargissement des espaces aériens en réduisant l'infiltration neutrophilique éventuellement via l'inhibition de lactivité de MMP-9.
A notre connaissance, il sagit du premier rapport montrant les effets anti-inflammatoires des agonistes β2-adrénergiques et des anticholinergiques dans un modèle animal mimant les principales caractéristiques physiopathologiques de la BPCO. Les données obtenues dans ce travail pourraient contribuer à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour cette maladie.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:ETDULg:ULgetd-01132011-121207 |
| Date | 15 February 2011 |
| Creators | Zhang, Wen Hui |
| Contributors | Bureau, Fabrice, Gustin, Pascal, Rong, Wei-Fang, Chen, Hong-Zhuan, Devilier, Philippe, Lagente, Vincent, Desmet, Christophe, Gillet, Laurent, Peeters, Dominique, Cassart, Dominique, Advenier, Charles |
| Publisher | Universite de Liege |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Detected Language | English |
| Type | text |
| Format | application/msword |
| Source | http://bictel.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/ULgetd-01132011-121207/ |
| Rights | unrestricted, Je certifie avoir complété et signé le contrat BICTEL/e remis par le gestionnaire facultaire. |
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