L’asma grave equino: un modello spontaneo di asma neutrofilico
Abstract
I meccanismi patogenetici alla base dell’asma neutrofilico sono solo parzialmente conosciuti. Un’alterata risposta dell’immunità innata ed un incremento del metabolismo ossidativo sono altri stati associati al fenotipo neutrofilico. Esistono inoltre meccanismi immunologici che collegano la risposta allergica e infiammazione neutrofilica, ma la loro implicazione nell’asma è poco conosciuta. In questo contesto, lo studio del modello di asma grave equino potrebbe rivelare informazioni potenzialmente applicabili o traslabili in campo umano. L’asma grave equino è un modello di asma spontaneo ad insorgenza tardiva (in età adulta dell’animale), neutrofilico, in cui si riconoscono fenotipi infiammatori diversi: Th2, Th1 e/o Th17. Le esacerbazioni vengono indotte esponendo gli animali ad antigeni ambientali (fieno), mentre la remissione clinica si induce con trattamento farmacologico corticosteroideo oppure riducendo al minimo lo stimolo antigenico. Questo aspetto rende il modello equino particolarmente duttile e sfruttabile, pur restando un modello spontaneo. Inoltre, la longevità del cavallo, la sua docilità e le grandi dimensioni sono vantaggi che permettono di pianificare studi longitudinali non terminali. In questo articolo di revisione si presentano i caratteri comuni all’asma neutrofilico umano ed al modello equino, nonché alcune possibili applicazioni in campo di ricerca.
Articolo
L’asma è un disordine infiammatorio cronico e ostruttivo che colpisce circa il 5% della popolazione italiana. L’inflammazione bronchiale è prevalentemente eosinofilica. Ciononostante, sono oggi riconosciuti fenotipi della malattia caratterizzati da altri pattern infiammatori 1 in circa il 50% dei casi (asma non-eosinofilico) 2.
In particolare, l’implicazione dei granulociti neutrofili quali potenziali attori nella patogenesi asmatica è relativamente recente. I dati disponibili relativi al ruolo di queste cellule nei processi di rimodellamento tissutale sono estremamente limitati, così come quelli riguardanti il loro contributo alla regolazione del processo infiammatorio.
Il modello equino può rivelarsi utile per comprendere alcuni meccanismi patogenetici alla base dell’asma neutrofilico umano.
L’asma grave equino è un modello animale spontaneo caratterizzato da neutrofilia broncoalveolare, rimodellamento tissutale e broncospasmo reversibile in seguito alla somministrazione di farmaci broncodilatatori 3 4.
Il modello equino può rivelarsi utile per comprendere alcuni meccanismi patogenetici alla base dell’asma neutrofilico umano.
Asma neutrofilico
Il fenotipo di asma non-eosinofilico è stato descritto per la prima volta nel contesto dell’asma grave, sottolineando il possibile contributo dei neutrofili in questo fenotipo della malattia 5. Precedenti lavori avevano dimostrato la presenza di neutrofilia durante le esacerbazioni asmatiche, in pazienti affetti da asma notturno ed in pazienti deceduti a causa di una crisi severa della malattia (asma fatale). La neutrofilia è stata quindi associata ad un fenotipo grave della patologia. Successivi lavori hanno confermato questi dati dimostrando inoltre che il fenotipo di asma neutrofilico è associato all’insorgenza tardiva della malattia (adulti/anziani, “asma geriatrico”), ad una ridotta risposta ai broncodilatatori, alla terapia corticosteroidea per inalazione, e ad una peggiore funzionalità polmonare. Il fenotipo neutrofilico è più frequentemente riscontrato in pazienti non atopici; è stato inoltre associato all’obesità nelle donne 1. Da un punto di vista patogenetico, i meccanismi alla base della neutrofilia nell’asma non sono del tutto chiariti. Alcuni studi hanno messo in luce caratteri immunologici che sembrano collegare la presenza di neutrofilia alla risposta allergica asmatica, quali: 1) l’osservazione di recettori ad alta affinità per le immunoglobuline E (IgE) in neutrofili di pazienti affetti da asma 6, 2) l’incremento della loro espressione durante la stagione dei pollini ed in presenza di citochine del tipo Th2 (IL-4) in vitro 7, e 3) la capacità delle IgE di ritardare l’apoptosi neutrofilica tramite legame con questo recettore 8.
La presenza di neutrofilia ed eosinofilia bronchiale non è mutualmente esclusiva e può coincidere in un fenotipo infiammatorio misto, possibilmente associato a manifestazioni cliniche più gravi.
La presenza di neutrofilia ed eosinofilia bronchiale non è infatti mutualmente esclusiva e può coincidere in un fenotipo infiammatorio misto, possibilmente associato a manifestazioni cliniche più gravi della malattia 9. In questo contesto, è importante sottolineare che i granulociti neutrofili non sono una popolazione di cellule omogenee 10, sebbene l’implicazione dei diversi fenotipi cellulari nella patogenesi asmatica non sia ancora stata chiarita 11.
I granulociti neutrofili sono cellule dell’immunità innata, la cui funzione principale è quella di partecipare alla risposta infiammatoria acuta contro diversi agenti dannosi, infettivi e non. I neutrofili sono cellule in grado di migrare attraverso i tessuti seguendo un gradiente chemotattico per raggiungere i loro target. Nell’asma, le principali molecole chemotattiche per i granulociti neutrofili sono l’interleuchina (IL)-8, il fattore di necrosi tumorale α (TNF-α), il leucotriene B4 (LTB4), l’IL-6 e l’IL-17 9. Una volta reclutati ed attivati, i neutrofili svolgono le loro funzioni innescando gli enzimi dell’esplosione respiratoria (generando stress ossidativo tramite attivazione di NADPH ossidasi e mieloperossidasi) e liberando prodotti di degradazione proteica e di inibizione batterica (elastasi, proteasi, lattoferrina, NETs [Neutrophil Extracellular Traps]). L’asma neutrofilico è caratterizzato da elevati livelli di IL-8, IL-17, TNF-α, IFN-α, IL-1β, e proteine del complesso dell’inflammasoma nell’escreato 9. Dati recenti sottolineano un ruolo determinante dell’immunità innata e dello stress ossidativo nella patogenesi del fenotipo di asma neutrofilico. La neutrofilia tissutale è aumentata in campioni di biopsie endobronchiali in cui si riscontra la presenza di metalloproteasi (MMP)-9 12 ed è correlata a livelli elevati di elastasi neutrofilica 13. L’asma neutrofilico è inoltre caratterizzato da uno stato pro-infiammatorio sistemico come dimostrato dai livelli elevati di proteina C reattiva e IL-6 riscontrati nel siero in questi pazienti 14 e dalla presenza di infezioni respiratorie subcliniche in circa il 50% dei casi 15 16. Gli studi diretti all’identificazione delle caratteristiche di rimodellamento tissutale correlate al fenotipo di asma neutrofilico sono rari. La neutrofilia sembrerebbe essere legata all’assenza di ispessimento della membrana basale, diversamente rispetto a quanto riscontrato in pazienti eosinofilici 5. In termini di funzionalità polmonare, la neutrofilia nei pazienti asmatici è associata ad una ridotta funzionalità periferica 17 e ad una minore reversibilità post-broncodilatatore espressa come volume espiratorio massimo in 1 secondo (FEV1) 18. Per questo motivo si suppone che la neutrofilia possa avere un ruolo nella progressione di un pattern ostruttivo persistente e irreversibile. La possibile implicazione del rimodellamento/ispessimento delle vie aeree periferiche in questo processo non è stata ad oggi valutata.
Infine, da un punto di vista terapeutico, i pazienti asmatici caratterizzati da un’elevata neutrofilia mostrano una risposta attenuata alla terapia corticosteroidea inalatoria, sia in termini di infiammazione sia in termini di funzionalità polmonare e controllo della malattia. La terapia con macrolidi sembra invece poter avere un ruolo nel trattamento di questi pazienti 19.
Nonostante i significativi avanzamenti delle conoscenze avvenuti negli ultimi anni, l’asma neutrofilico risulta essere un fenotipo non ben caratterizzato. L’implicazione della presenza concomitante di eosinofilia non è inoltre chiarita. Nonostante si ipotizzi un fenotipo più grave della patologia in caso di compresenza dei due pattern infiammatori (eosinofilico e neutrofilico) 9, questo dato deve ancora essere dimostrato così come i meccanismi patogenetici alla base del suo sviluppo.
In questo contesto, l’impiego e lo studio di un modello animale di asma neutrofilico potrebbe rivelarsi interessante. I tipici modelli murini di asma offrono limitate possibilità in quanto caratterizzati da un’infiammazione tipicamente eosinofilica e periferica, così come il modello spontaneo di asma felino. Il modello di asma severo equino è invece caratterizzato da neutrofilia broncoalveolare e da lesioni presenti sia nei bronchi centrali che periferici.
Data l’elevata prevalenza di asma neutrofilico in pazienti anziani, la longevità del modello equino potrebbe rappresentare un vantaggio dal punto di vista traslazionale.
Data l’elevata prevalenza di asma neutrofilico in pazienti anziani, la longevità del modello equino potrebbe rappresentare un vantaggio dal punto di vista traslazionale.
Asma equino, definizioni e contestualizzazione
“Asma equino” è una definizione recente 20 che raggruppa una pletora di disordini infiammatori ostruttivi di diversa gravità precedentemente classificati in base alla sintomatologia clinica o all’agente eziologico responsabile della riacutizzazione 21. Le tre principali forme di asma equino sono quelle che negli anni 2000 erano note come IAD (Inflammatory Airway Disease), RAO (Recurrent Airway Obstruction) e SPAOPD (Summer Pasture-Associated Obstructive Pulmonary Disease). Queste tre forme si differenziano per la severità dei segni clinici e per i fattori scatenanti le riacutizzazioni. IAD definisce il fenotipo ora noto come asma lieve equino, caratterizzato da infiammazione neutrofilica (> 5-10%, a seconda degli studi), eosinofilica (> 1%) e/o mastocitica (> 2%) all’esame citologico del Lavaggio Broncoalveolare (LBA) e dalla presenza di segni clinici lievi cronici in assenza di febbre e di uno sforzo respiratorio a riposo. RAO e SPAOPD definiscono invece il fenotipo ora noto come asma grave equino, caratterizzato da un’elevata neutrofilia broncoalveolare (> 20-25%, a seconda degli studi), dalla presenza di rimodellamento bronchiale centrale e periferico, e da una ridotta funzionalità polmonare. RAO e SPAOPD si differenziano per i fattori scatenanti le riacutizzazioni, che sono l’esposizione agli allergeni/fattori irritanti presenti nel fieno nel primo caso ed i pollini e gli aeroallergeni tipici della stagione primaverile nel secondo caso. Negli articoli precedenti il 2000, la divisione tra questi fenotipi non era riconosciuta ed i cavalli affetti erano indiscriminatamente classificati come soggetti affetti da heaves, COPD, chronic bronchiolitis, oppure chronic emphysema. La Figura 1 riporta le caratteristiche cliniche e l’evoluzione temporale delle definizioni associate ai fenotipi di asma equino.
Asma grave equino: caratterizzazione del modello e conoscenze attuali
La natura simil-asmatica della patologia equina era riconosciuta dalla comunità medica già negli anni ’60 22. Studi più recenti, sia in campo veterinario che medico, hanno portato a nuove conoscenze permettendoci oggi di proporre l’asma grave equino come un modello animale spontaneo per il fenotipo di asma neutrofilico umano. L’asma grave equino è una patologia cronica ed incurabile. Clinicamente, periodi di remissione della malattia si presentano alternati a periodi di esacerbazione, durante i quali gli animali vengono trattati sino a remissione dei segni clinici. Le esacerbazioni sono scatenate dall’esposizione a diversi antigeni ambientali, principalmente quelli che si trovano nel fieno di bassa qualità come lipopolisaccaridi e antigeni di Aspergillus fumigatus, sebbene non vi sia un singolo agente eziologico ritenuto responsabile della patologia 4. Diversi altri aeroellergeni sembrano avere un ruolo nella patogenesi della malattia 23. L’implicazione di meccanismi allergici nella patobiologia dell’asma grave equino è controversa. Diversi lavori riportano una maggiore frequenza di soggetti sensibilizzati contro antigeni ambientali in cavalli affetti rispetto ai soggetti sani 24 e un aumento delle mast cellule nel LBA o nell’epitelio di animali in esacerbazione della malattia 25 26.
L’asma grave equino si caratterizza clinicamente per la presenza di episodi ricorrenti e reversibili di ostruzione respiratoria, in presenza di neutrofilia all’esame citologico broncoalveolare ed in assenza di concomitanti infezioni respiratorie.
L’asma grave equino si caratterizza clinicamente per la presenza di episodi ricorrenti e reversibili di ostruzione respiratoria (sforzo respiratorio a riposo), in presenza di neutrofilia all’esame citologico broncoalveolare ed in assenza di concomitanti infezioni respiratorie. Tali segni clinici si accompagnano ad un’eccessiva produzione di muco e, in alcuni casi, a tosse cronica. La patologia è inoltre caratterizzata da rimodellamento dei bronchi centrali e periferici, parzialmente reversibile durante i periodi di remissione della malattia.
La disfunzione respiratoria è definita sulla base dei valori di resistenza ed elastanza polmonare (RL ed EL, rispettivamente) misurati in soggetti non sedati tramite misura della pressione esofagea (tratto intra-toracico) e dei flussi respiratori. Valori di RL > 1 cmH2O/L/s ed EL > 1 cmH2O/L sono considerati patologici. Sebbene test di spirometria siano stati eseguiti su cavalli per la misura dei flussi e volumi espiratori, il cavallo deve essere sedato e la manovra eseguita passivamente (inspirazione profonda simulata tramite la somministrazione di aria a pressione attraverso un tubo nasale fino a capacità polmonare totale e successiva connessione del tubo con un sistema a vuoto) 27. La stimolazione con metacolina ed istamina è un altro protocollo comunemente eseguito nei cavalli affetti da asma lieve ma non grave 28, perché eticamente non ammissibile e potenzialmente pericoloso se eseguito in animali non sedati. Lo sforzo respiratorio cronico si manifesta con un’esagerata attivazione dei muscoli addominali durante la fase espiratoria (definita “torchio addominale”), che nel tempo ne causa un’ipertrofia, concomitante ad una dilatazione delle narici ed all’assunzione di una postura “a fame d’aria” nei casi più gravi (Figura 2). All’auscultazione, si sentono sibili espiratori a cui possono essere associati rantoli. Nei casi più gravi, i suoni respiratori possono essere attutiti per la presenza di intrappolamento d’aria (air trapping) periferico. L’auscultazione tracheale può rivelare la presenza di muco.
La neutrofilia broncoalveolare è relativa (> 20-25%) ed è presente nella maggioranza dei casi. Sono riportati sporadici casi caratterizzati da un pattern infiammatorio paucigranulocitico associato a mucostasi periferica e a lesioni bronchiali/bronchiolari periferiche gravi 29.
Il reclutamento dei neutrofili nel lume bronchiale avviene a poche ore dall’esposizione dei cavalli e precede il picco di alterazione della funzionalità polmonare e di danno epiteliale.
Il reclutamento dei neutrofili nel lume bronchiale avviene a poche ore dall’esposizione dei cavalli ad un ambiente in cui sia presente fieno polveroso, e precede il picco di alterazione della funzionalità polmonare e di danno epiteliale 30 31. I neutrofili reclutati nel lume dimostrano un incremento di attività relativa al fenomeno dell’esplosione respiratoria e di espressione di elastasi neutrofilica rispetto ai neutrofili periferici, indice di attivazione cellulare 31. Tra le possibili cause possono esservi l’aumentata espressione di diverse molecole in grado di attirare/attivare i neutrofili nel lume bronchiale (IL-8, IL-17, IL-1β, TNF-α, LTB4) così come la ridotta espressione di molecole anti-infiammatorie come la secretoglobina 32. I neutrofili periferici mostrano invece un ridotto tasso di apoptosi ed un’aumentata produzione di IL-1β e TNF-α rispetto alle stesse cellule di cavalli sani 31 33. Nel cavallo, così come nell’uomo, sono stati descritti due fenotipi di neutrofili: a bassa densità e a densità normale 10 34. I neutrofili a bassa densità, pur mantenendo la stessa funzione nei cavalli sani e asmatici, sono aumentati nel sangue periferico di cavalli affetti da asma severo 34. Anche i neutrofili a densità normale sono aumentati nel sangue periferico durante le esacerbazioni, sebbene i valori non superino la soglia considerata normale in questa specie 34.
L’asma grave equino è associato ad uno stato pro-infiammatorio sistemico e ad un’attivazione dell’immunità innata, come dimostrato dall’ipercoagulabilità e dall’elevata concentrazione di TNF-α, fibrinogeno, aptoglobina e amiloide sierica A nel sangue periferico 33 35 36.
L’asma grave equino è associato ad uno stato pro-infiammatorio sistemico e ad un’attivazione dell’immunità innata.
Come nell’asma umano, si riscontrano casi di asma grave equino caratterizzati da un fenotipo infiammatorio di tipo prevalentemente Th2 ed altri di tipo prevalentemente Th1 37 38. L’espressione di molecole di tipo Th17 sembra invece essere comune ai due fenotipi. Mentre il legame tra neutrofilia e risposta infiammatoria di tipo Th1 e Th17 è giustificato, i meccanismi immunologici che legano la neutrofilia ad una risposta immunitaria di tipo Th2 (o viceversa) non sono ancora del tutto chiariti. La presenza di recettori per l’IL-5 sui neutrofili equini e la loro attivazione in seguito a stimolazione con IL-4, con conseguente aumento dell’espressione del recettore a bassa affinità per le IgE, suggeriscono l’esistenza di meccanismi immunologici in grado di correlare questi due processi 39 40.
Le vie aeree inferiori dei pazienti asmatici sono caratterizzate da alterazioni morfologiche strutturali osservate a livello di epitelio, tessuto connettivo e muscolo liscio delle pareti bronchiali, collettivamente chiamate rimodellamento bronchiale (Figura 3). Ad oggi, non sono stati realizzati studi volti a caratterizzare il rimodellamento bronchiale in pazienti umani affetti da asma neutrofilico, ad eccezione di uno studio in cui si riporta un normale spessore della membrana basale in presenza di neutrofilia in confronto all’ispessimento comunemente osservato nei pazienti eosinofilici 5. La componente strutturale delle vie aeree che risulta essere maggiormente collegata alla funzionalità polmonare ed alla presentazione clinica della malattia è invece la massa di muscolo liscio bronchiale periferico.
Il modello di asma grave equino è caratterizzato da un aumento della massa di muscolo liscio sia nei bronchi periferici sia nei bronchi centrali.
Il modello di asma grave equino è caratterizzato da un aumento della massa di muscolo liscio sia nei bronchi periferici (< 2 mm di diametro) sia nei bronchi centrali (corrispondenti a bronchi lobari, segmentali e submesgentali) 26 41. È stato inoltre osservato che la massa di muscolo liscio periferico è associata alla severità della malattia 42. La funzionalità stessa del muscolo liscio bronchiale equino è alterata nell’asma grave in associazione con l’aumentata espressione dell’isoforma rapida della catena pesante della miosina 43. Questo potrebbe portare ad un’accelerata contrazione muscolare e contribuire quindi allo sviluppo di broncospasmo in questa malattia 44. La recente dimostrazione che il muscolo liscio bronchiale periferico equino è ipercontrattile in soggetti asmatici supporta quest’ipotesi 45. La produzione da parte di neutrofili equini di esosomi che vengono internalizzati dalle cellule muscolari lisce potrebbe essere un meccanismo che lega l’infiammazione al rimodellamento tissutale in questo modello 46. Diversi lavori hanno riportato alterazioni a carico della matrice collagene della lamina propria – aumentata nei cavalli affetti da asma grave rispetto ai controlli, sia nei bronchi centrali che periferici – e la loro correlazione con la funzionalità polmonare durante le fase di remissione della malattia 47 48. Infine, vi sono lavori che dimostrano l’attivazione dell’epitelio bronchiale nei cavalli affetti da asma grave, con una iperespressione di Toll-Like Receptor 4 (TLR4) e di citochine proinfiammatorie quali IL-1β, IL-8, IL-17, TSLP (linfopoietina timica stromale) 3.
Per quanto riguarda il trattamento e la risposta al trattamento, il modello equino è caratterizzato da una risposta clinica alla terapia corticosteroidea più rapida e marcata in seguito alla somministrazione di corticosteroidi orali 49, ma che comunque è evidente anche quando i corticosteroidi vengono somministrati per via inalatoria per lunghi periodi 50. Di rilievo è la presenza di broncocostrizione residua osservata in animali trattati per 12 mesi con fluticasone per inalazione e con una funzionalità polmonare nella norma 50.
Il modello equino è caratterizzato da una risposta clinica alla terapia corticosteroidea più rapida e marcata in seguito alla somministrazione di corticosteroidi orali.
La risposta alla terapia per inalazione è invece rapida e marcata con la somministrazione combinata di corticosteroidi e broncodilatatori β2-agonisti 42. La neutrofilia broncoalveolare comunque persiste anche in caso di remissione clinica farmacologica se gli animali non vengono rimossi dall’ambiente polveroso. Dati preliminari di un recente lavoro sembrano supportare un effetto positivo della somministrazione di macrolidi nel controllo della neutrofilia in questo modello animale. Altre terapie sono state testate nel modello di asma grave equino con limitato effetto terapeutico 3. Come nell’asma umano, la sola terapia broncodilatatoria sembra produrre effetti negativi peggiorando l’iperreattività bronchiale 42. Nel modello equino è stata inoltre studiata la reversibilità del rimodellamento polmonare in seguito a trattamento. In questa specie, il trattamento corticosteroideo riduce significativamente la massa di muscolo liscio bronchiale a livelli che rimangono però sempre maggiori rispetto a quelli osservati in animali sani 42 50. Questi risultati sono in linea con quanto osservato nei pazienti umani e indicativi del fatto che una parte del rimodellamento muscolare nell’asma è irreversibile. La deposizione di collagene nella lamina propria invece sembra essere completamente reversibile con il trattamento, ma solo nelle vie aeree centrali 42.
Vantaggi del modello e potenziali applicazioni in ricerca
Nel contesto della ricerca sull’asma neutrofilico umano, l’asma grave equino risulta essere interessante per la sua possibile applicabilità come modello traslazionale 3.
Nel contesto della ricerca sull’asma neutrofilico umano, l’asma grave equino risulta essere interessante per la sua possibile applicabilità come modello traslazionale.
L’insorgenza spontanea della malattia in questa specie e la sua longevità (un cavallo ha una vita media di 25-30 anni) lo avvicinano molto alla patologia umana. Inoltre, date le grandi dimensioni degli animali e la loro natura generalmente docile, è possibile prelevare diversi campioni senza dover sacrificare l’animale. Questo permette la realizzazione di studi prospettici ed il monitoraggio nel tempo di uno stesso animale. La presenza di tecniche consolidate per il prelievo e lo studio di campioni bioptici di polmone periferico intra vitam è un ulteriore vantaggio di questo modello. Da un punto di vista patogenetico, lo studio dell’asma equino potrebbe risultare utile per la comprensione dei meccanismi immunologici che regolano neutrofilia e risposta allergica nell’asma umano. Infine, lo studio comparativo degli eosinofili equini ed umani potrebbe permettere di identificare i fattori responsabili della mancata risposta eosinofilica nel modello equino e studiare la loro implicazione nell’asma umano. Gli svantaggi di questo modello sono invece legati agli spazi e alla strumentazione necessarie per il mantenimento e lo svolgimento delle procedure su questi animali, ed alla limitata disponibilità di prodotti biomolecolari validati per questo modello.
In conclusione, il modello di asma grave equino potrebbe rappresentare un modello interessante e potenzialmente sfruttabile per lo studio dei meccanismi patogenetici infiammatori alla base dell’asma neutrofilico umano. La facilità di prelievo di biopsie tissutali permette anche l’impiego di questo modello per lo studio del rimodellamento tissutale e della sua risposta ai farmaci comunemente utilizzati per il trattamento dell’asma umano.
Figure e tabelle
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