Механический стресс как фактор ремоделирования дыхательных путей при хронических респираторных заболеваниях, сопровождающихся синдромом бронхиальной обструкции (обзор литературы)
https://doi.org/10.36604/1998-5029-2020-75-104-114
Аннотация
В настоящем обзоре обобщены и проанализированы результаты современных экспериментальных исследований, указывающих на участие механического стресса, как независимого ключевого фактора, в формировании ремоделирования дыхательных путей у больных хроническими обструктивными заболеваниями легких, в частности бронхиальной астмой (БА) и хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Механизмы, модулирующие структурную перестройку респираторного тракта, рассмотрены на уровне эпителия, фибробластов и гладкомышечных клеток дыхательных путей. Уделено внимание возможным молекулярным механизмам, опосредующим воздействие механического стресса на дыхательные пути в условиях повышенного бронхиального сопротивления. Рассмотрено возможное участие в процессе ремоделирования каналов с транзиторным рецепторным потенциалом (TRP), обладающих механорецепторными свойствами. Эти каналы широко экспрессированы в респираторном тракте и могут оказывать влияние на формирование структурных изменений бронхиальной стенки при БА и ХОБЛ под воздействием механических сил, приводящих к деформации тканей. На сегодняшний день отсутствуют эффективные средства фармакотерапии, предотвращающие ремоделирование дыхательных путей у больных БА и ХОБЛ, что делает изучение роли механорецепторов в этом патологическом процессе чрезвычайно актуальным.
Ключевые слова
Об авторах
Е. Ю. АфанасьеваРоссия
Евгения Юрьевна Афанасьева - младший научный сотрудник, лаборатория функциональных методов исследования дыхательной системы.
675000, Благовещенск, ул. Калинина, 22
Д. Е. Наумов
Россия
Денис Евгеньевич Наумов - кандидат медицинских наук, заведующий лабораторией молекулярных и трансляционных исследований.
675000, Благовещенск, ул. Калинина, 22
Список литературы
1. Carr T.F., Bleecker E. Asthma heterogeneity and severity // World Allergy Organ. J. 2016. Vol.9, №1. Р.41. doi: 10.1186/s40413-016-0131-2
2. Rehman A., Amin F., Sadeeqa S. Prevalence of asthma and its management: A review // J. Pak. Med. Assoc. 2018. Vol.68, №12.Р.1823-1827
3. Adeloye D., Chua S., Lee C., Basquill C., Papana A., Theodoratou E., Nair H., Gasevic D., Sridhar D., Campbell H., Chan K.Y., Sheikh A., Rudan I. Global and regional estimates of COPD prevalence: Systematic review and meta-analysis // J. Glob. Health. 2015. Vol.5, №2. Р.020415. doi: 10.7189/jogh.05-020415
4. Papi A., Brightling C., Pedersen S.E., Reddel H.K. Asthma // Lancet. 2018. Vol.391. Р.783-800. doi: 10.1016/S0140-6736(17)33311-1
5. Russell R.J., Brightling C. Pathogenesis of asthma: implications for precision medicine // Clin. Sci. (Lond). 2017. Vol.131, №14. Р.1723-1735. doi: 10.1042/CS20160253
6. Fehrenbach H., Wagner C., Wegmann M. Airway remodeling in asthma: what really matters // Cell Tissue Res. 2017. Vol.367, №3. Р.551-569. doi: 10.1007/s00441-016-2566-8
7. Boulet L.P. Airway remodeling in asthma: update on mechanisms and therapeutic approaches // Curr. Opin. Pulm. Med. 2018. Vol.24, №1. Р.56-62. doi: 10.1097/MCP.0000000000000441
8. Hartley R.A., Barker B.L., Newby C., Pakkal M., Baldi S., Kajekar R., Kay R., Laurencin M., Marshall R., Sousa A.R., Parmar H., Siddiqui S., Gupta S., Brightling C.E. Relationship between lung function and quantitative computed tomographic parameters of airway remodeling, air trapping, and emphysema in patients with asthma and chronic obstructive pulmonary disease: A single-center study // J. Allergy Clin. Immunol. 2016. Vol.137, №5. Р. 1413-1422. doi: 10.1016/j.jaci.2016.02.001
9. Jones R.L., Noble P.B., Elliot J.G., James A.L. Airway remodelling in COPD: It's not asthma! // Respirology. 2016. Vol.21, №8. Р.1347-1356. doi: 10.1m/resp.12841
10. O'Halloran K.D. Blood flow to limb muscles during submaximal dynamic exercise with resistive breathing: Use it or lose it? // Exp. Physiol. 2019. Vol.104, №2. Р.165-167. doi: 10.1113/EP087483
11. Tschumperlin D.J., Drazen J.M. Mechanical stimuli to airway remodeling //Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2001. Vol.164, Suppl.2. P.90-94. doi: 10.1164/ajrccm.164.supplement_2.2106060
12. Gosens R., Grainge C.. Bronchoconstriction and airway biology: potential impact and therapeutic opportunities // Chest. 2015. Vol.147, №3. Р.798-803. doi: 10.1378/chest.14-1142.
13. Santus P., Pecchiari M., Tursi F., Valenti V., Saad M., Radovanovic D. The Airways' Mechanical Stress in Lung Disease: Implications for COPD Pathophysiology and Treatment Evaluation // Can. Respir. J. 2019. 2019:Р.1-8. doi: 10.1155/2019/3546056
14. Toumpanakis D., Noussia O., Sigala I., Litsiou E., Loverdos K., Zacharatos P., Karavana V., Michailidou T., Magkou C. , Zhou Z., Theocharis S., Vassilakopoulos T. Inspiratory resistive breathing induces MMP-9 and MMP-12 expression in the lung // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2015. Vol.308, №7. Р.683-692. doi: 10.1152/ajplung.00133.2014
15. Vassilakopoulos T., Toumpanakis D. Can resistive breathing injure the lung? Implications for COPD exacerbations // Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon. Dis. 2016. Vol.11, P.2377-2384. doi: 10.2147/COPD.S113877
16. Toumpanakis D., Kastis G.A., Zacharatos P., Sigala I., Michailidou T., Kouvela M., Glynos C., Divangahi M., Roussos C., Theocharis S.E., Vassilakopoulos T. Inspiratory resistive breathing induces acute lung injury //Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2010. Vol.182. P.1129-1136. doi: 10.1164/rccm.201001-0116OC
17. Vassilakopoulos T., Divangahi M., Rallis G., Kishta O., Petrof B., Comtois A., Hussain S.N. Differential cytokine gene expression in the diaphragm in response to strenuous resistive breathing // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2004. Vol.170. P.154-161. doi: 10.1164/rccm.200308-1071OC
18. Grainge C.L., Lau L.C., Ward J.A., Dulay V., Lahiff G., Wilson S., Holgate S., Davies D.E., Howarth P.H. Effect of bronchoconstriction on airway remodeling in asthma // N. Engl. J. Med. 2011. Vol.364. №21. Р.2006-2015. doi: 10.1056/NEJMoa1014350
19. Lan B., Mitchel J.A., O'Sullivan M.J., Park C.Y., Kim J.H., Cole W.C., Butler J.P., Park J.A. Airway epithelial compression promotes airway smooth muscle proliferation and contraction // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2018. Vol.315, №5. Р.645-652. doi: 10.1152/ajplung.00261.2018
20. Yu Q., Li M. Effects of Mechanical Stretch on Expression of Airway Remodeling Associated Factors in Human Bronchial Epithelioid Cells // Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2016. Vol.33, №5. Р.923-930. doi: 10.13287/j.1001-9332.201805.005
21. Kilic O., Yoon A., Shah S.R., Yong H.M., Ruiz-Valls A., Chang H., Panettieri R.A.Jr., Liggett S.B., Quinones-Hi-nojosa A., An S.S., Levchenko A. A microphysiological model of the bronchial airways reveals the interplay of mechanical and biochemical signals in bronchospasm // Nat. Biomed. Eng. 2019. Vol.7. Р.532-544. doi: 10.1038/s41551-019-0366-7
22. Toumpanakis D., Vassilakopoulou V., Mizi E., Chatzianastasiou A., Loverdos K., Vraila I., Perlikos F., Tsoukalas D. , Giannakopoulou C.E., Sotiriou A., Dettoraki M., Karavana V., Vassilakopoulos T. p38 Inhibition Ameliorates Inspiratory Resistive Breathing-Induced Pulmonary Inflammation // Inflammation. 2018. Vol.41, №5. Р. 1873-1887. doi: 10.1007/s10753-018-0831-6
23. Zuo L., Hallman A.H., Yousif M.K., Chien M.T. Oxidative stress, respiratory muscle dysfunction, and potential therapeutics in chronic obstructive pulmonary disease // Front Biol. (Beijing). 2012. Vol.7. P.506-513. doi:10.1007/s11515-012-1251-x
24. Loverdos K., Toumpanakis D., Litsiou E., Karavana V., Glynos C., Magkou C., Theocharis S., Vassilakopoulos T. The differential effects of inspiratory, expiratory, and combined resistive breathing on healthy lung // Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon. Dis. 2016. Vol.11, Р.1623-1638. doi: 10.2147/COPD.S106337
25. Grzela K., Litwiniuk M., Zagorska W., Grzela T. Airway Remodeling in Chronic Obstructive Pulmonary Disease and Asthma: the Role of Matrix Metalloproteinase-9 // Arch. Immunol. Ther. Exp. (Warsz). 2016. Vol.64, №1. Р.47-55. doi: 10.1007/s00005-015-0345-y
26. Liu X.J., Bao H.R., Zeng X.L., Wei J.M.. Effects of resveratrol and genistein on nuclear factor kB, tumor necrosis factor a and matrix metalloproteinase 9 in patients with chronic obstructive pulmonary disease // Mol. Med. Rep. 2016. Vol.13, №5. Р.4266-4272. doi: 10.3892/mmr.2016.5057
27. Górka K., Soja J., Jakieła B., Plutecka H., Gross-Sondej I., Ćmiel A., Mikrut S., Łoboda P., Andrychiewicz A., Jurek P, Sładek K. Relationship between the thickness of bronchial wall layers, emphysema score, and markers of remodeling in bronchoalveolar lavage fluid in patients with chronic obstructive pulmonary disease // Pol. Arch. Med. Wewn. 2016. Vol.126, №6. Р.402-410. doi: 10.20452/pamw.3461
28. Kuwabara Y., Kobayashi T., D'Alessandro-Gabazza C.N., Toda M., Yasuma T., Nishihama K., Takeshita A., Fuji-moto H., Nagao M., Fujisawa T., Gabazza E.C. Role of Matrix Metalloproteinase-2 in Eosinophil-Mediated Airway Remodeling // Front. Immunol. 2018. Vol.9. Р.2163. doi: 10.3389/fimmu.2018.02163
29. Hogg J.C., Timens W. The pathology of chronic obstructive pulmonary disease // Annu. Rev. Pathol. 2009. Vol.4. P.435-459. doi: 10.1146/annurev.pathol.4.110807.092145
30. Barnes PJ., Burney P.G., Silverman E.K., Celli B.R., Vestbo J., Wedzicha J.A., Wouters E.F. Chronic obstructive pulmonary disease // Nat. Rev. Dis. Primers. 2015. Vol.1. Р15076. doi: 10.1038/nrdp.2015.76
31. Yu Q., Li M. Effects of transient receptor potential canonical 1 (TRPC1) on the mechanical stretch-induced expression of airway remodeling-associated factors in human bronchial epithelioid cells // J. Biomech. 2017. Vol.51. Р.89-96. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.12.002
32. Garrison S.R., Dietrich A., Stucky C.L. TRPC1 contributes to light-touch sensation and mechanical responses in low-threshold cutaneous sensory neurons // J. Neurophysiol. 2012. Vol.107, №3. Р.913-922. doi: 10.1152/jn.00658.20n
33. Huang Y.W., Chang S.J., Harn H.I., Huang H.T., Lin H.H., Shen M.R., Tang M.J., Chiu W.T. Mechanosensitive store-operated calcium entry regulates the formation of cell polarity // J. Cell. Physiol. 2015. Vol.230, №9. Р.2086-2097. doi: 10.1002/jcp.24936
34. Pu Q., Zhao Y., Sun Y., Huang T., Lin P, Zhou C., Qin S., Singh B.B., Wu M. TRPC1 intensifies house dust mite-induced airway remodeling by facilitating epithelial-to-mesenchymal transition and STAT3/NF-kB signaling // FASEB J. 2019. Vol.33, №1. Р.1074-1085. doi: 10.1096/fj.201801085R
35. Shen B., Wong C.O., Lau O.C., Woo T., Bai S., Huang Y., Yao X. Plasma membrane mechanical stress activates TRPC5 channels // PLoS One. 2015. Vol.10, №4. Pe0122227. doi: 10.1371/journal.pone.0122227
36. Welsh D.G., Morielli A.D., Nelson M.T., Brayden J.E. Transient receptor potential channels regulate myogenic tone of resistance arteries // Circ. Res. 2002. Vol.90, №3. Р.248-250. doi: 10.1161/hh0302.105662
37. Xu B.M., Zhang J.H., Wang J.L., Xiao J.H. TRPC3 overexpression and intervention in airway smooth muscle of ovalbumin-induced hyperresponsiveness and remodeling // Cell. Biol. Int. 2018. Vol.42, №8. Р.1021-1029. doi: 10.1002/cbin.10970
38. Meng Q., Fang P, Hu Z., Ling Y., Liu H. Mechanotransduction of trigeminal ganglion neurons innervating inner walls of rat anterior eye chambers // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2015. Vol.309, №1. Р.1-10. doi: 10.1152/ajpcell.00028.2015.
39. Alonso-Carbajo L., Alpizar Y.A., Startek J.B., López-López J.R., Perez-Garcia M.T., Talavera K. Activation of the cation channel TRPM3 in perivascular nerves induces vasodilation of resistance arteries // J. Mol. Cell. Cardiol. 2019. Vol.129. Р.219-230. doi: 10.1016/j.yjmcc.2019.03.003
40. Sexton J.E., Desmonds T., Quick K., Taylor R., Abramowitz J., Forge A., Kros C.J., Birnbaumer L., Wood J.N. The contribution of TRPC1, TRPC3, TRPC5 and TRPC6 to touch and hearing // Neurosci. Lett. 2016. №610. P.36-42. doi: 10.1016/j.neulet.2015.10.052
41. Son A.R., Yang Y.M., Hong J.H., Lee S.I., Shibukawa Y., Shin DM. Odontoblast TRP channels and thermo/me-chanical transmission // J. Dent. Res. 2009. Vol.88, №11. P.1014-1019. doi: 10.1177/0022034509343413.
42. Earley S., Waldron B.J., Brayden J.E. Critical role for transient receptor potential channel TRPM4 in myogenic constriction of cerebral arteries // Circ. Res. 2004. Vol.95, №9. P.922-929.
43. Feng N.H., Lee H.H., Shiang J.C., Ma M.C. Transient receptor potential vanilloid type 1 channels act as mech-anoreceptors and cause substance P release and sensory activation in rat kidneys // Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2008. Vol.294, №2. P.F316-325.
44. Mihara H., Suzuki N., Yamawaki H., Tominaga M., Sugiyama T. TRPV2 ion channels expressed in inhibitory motor neurons of gastric myenteric plexus contribute to gastric adaptive relaxation and gastric emptying in mice // Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2013. Vol.304, №3. P.G235-240. doi: 10.1152/ajpgi.00256.2012
45. Liedtke W., Tobin D.M., Bargmann C.I., Friedman J.M. Mammalian TRPV4 (VR-OAC) directs behavioral responses to osmotic and mechanical stimuli in Caenorhabditis elegans // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. Vol.100, Suppl.2. P.14531-14536
46. Kwan K.Y., Allchorne A.J., Vollrath M.A., Christensen A.P., Zhang D.S., Woolf C.J., Corey D.P. TRPA1 contributes to cold, mechanical, and chemical nociception but is not essential for hair-cell transduction // Neuron. 2006. Vol.50, №2. P.277-289.
47. Li N., He Y., Yang G., Yu Q., Li M. Role of TRPC1 channels in pressure-mediated activation of airway remodeling // Respir. Res. 2019. Vol.20, №1. P.91. doi: 10.1186/s12931-019-1050-x
48. Chen X.X., Zhang J.H., Pan B.H., Ren H.L., Feng X.L., Wang J.L., Xiao J.H. TRPC3-mediated Ca(2+) entry contributes to mouse airway smooth muscle cell proliferation induced by lipopolysaccharide // Cell. Calcium. 2016. Vol.60, №4. P.273-281. doi: 10.1016/j.ceca.2016.06.005
49. Zhu Y., Gao M., Zhou T., Xie M., Mao A., Feng L., Yao X., Wong W.T., Ma X. The TRPC5 channel regulates angiogenesis and promotes recovery from ischemic injury in mice // J. Biol. Chem. 2019. Vol.294, №1. P.28-37. doi: 10.1074/jbc.RA118.005392
50. Lin B.L., Matera D., Doerner J.F., Zheng N., Del Camino D., Mishra S., Bian H., Zeveleva S., Zhen X., Blair N.T., Chong J.A., Hessler D.P., Bedja D., Zhu G., Muller G.K., Ranek M.J., Pantages L., McFarland M., Netherton M.R., Berry A., Wong D., Rast G., Qian H.S., Weldon S.M., Kuo J.J., Sauer A., Sarko C., Moran M.M., Kass D.A., Pullen S.S. In vivo selective inhibition of TRPC6 by antagonist BI 749327 ameliorates fibrosis and dysfunction in cardiac and renal disease // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019. Vol.116, №20. P.10156-10161. doi: 10.1073/pnas.1815354116
51. Hong W., Peng G., Hao B., Liao B., Zhao Z., Zhou Y., Peng F., Ye X., Huang L., Zheng M., Pu J., Liang C., Yi E., Peng H., Li B., Ran P. Nicotine-Induced Airway Smooth Muscle Cell Proliferation Involves TRPC6-Dependent Calcium Influx Via a7 nAChR // Cell. Physiol. Biochem. 2017. Vol.43, №3. P.986-1002. doi: 10.1159/000481651
52. Choi J.Y., Lee H.Y., Hur J., Kim K.H., Kang J.Y., Rhee C.K., Lee S.Y. TRPV1 Blocking Alleviates Airway Inflammation and Remodeling in a Chronic Asthma Murine Model // Allergy Asthma Immunol. Res. 2018. Vol.10, №3. P.216-224. doi: 10.4168/aair.2018.10.3.216
53. Zhao L., Zhang X., Kuang H., Wu J., Guo Y., Ma L. Effect of TRPV1 channel on the proliferation and apoptosis in asthmatic rat airway smooth muscle cells // Exp. Lung Res. 2013. Vol.39, №7. P.283-294. doi: 10.3109/01902148.2013.813610
54. Ishii T., Uchida K., Hata S., Hatta M., Kita T., Miyake Y., Okamura K., Tamaoki S., Ishikawa H., Yamazaki J. TRPV2 channel inhibitors attenuate fibroblast differentiation and contraction mediated by keratinocyte-derived TGF-P1 in an in vitro wound healing model of rats // J. Dermatol. Sci. 2018. Vol.90, №3. P.332-342. doi: 10.1016/j.jdermsci.2018.03.003
55. Zhan L., Li J. The role of TRPV4 in fibrosis // Gene. 2018. Vol.642. P.1-8. doi: 10.1016/j.gene.2017.10.067
56. Rahaman S.O., Grove L.M., Paruchuri S., Southern B.D., Abraham S., Niese K.A., Scheraga R.G., Ghosh S., Thodeti C.K., Zhang D.X., Moran M.M., Schilling W.P., Tschumperlin D.J., Olman M.A. TRPV4 mediates myofibroblast differentiation and pulmonary fibrosis in mice // J. Clin. Invest. 2014. Vol.124, №12. P.5225-5238. doi: 10.1172/JCI75331
57. Okada Y., Shirai K., Reinach P.S., Kitano-Izutani A., Miyajima M., Flanders K.C., Jester J.V., Tominaga M., Saika S. TRPA1 is required for TGF-P signaling and its loss blocks inflammatory fibrosis in mouse corneal stroma // Lab. Invest. 2014. Vol.94, №9. P.1030-1041. doi: 10.1038/labinvest.2014.85
Рецензия
Для цитирования:
Афанасьева Е.Ю., Наумов Д.Е. Механический стресс как фактор ремоделирования дыхательных путей при хронических респираторных заболеваниях, сопровождающихся синдромом бронхиальной обструкции (обзор литературы). Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2020;(75):104-114. https://doi.org/10.36604/1998-5029-2020-75-104-114
For citation:
Afanas’eva E.Yu., Naumov D.E. Mechanical stress as a factor of airway remodeling in chronic respiratory diseases with bronchial obstruction syndrome (review). Bulletin Physiology and Pathology of Respiration. 2020;(75):104-114. (In Russ.) https://doi.org/10.36604/1998-5029-2020-75-104-114