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Metabolic differences between bronchial epithelium from healthy individuals and patients with asthma and the effect of bronchial thermoplasty - 04/11/21

Doi : 10.1016/j.jaci.2020.12.653 
Abilash Ravi, PhD a, b, , Annika W.M. Goorsenberg, MD, PhD a, , Annemiek Dijkhuis, MSc b, Barbara S. Dierdorp, BSc b, Tamara Dekker, BSc b, Michel van Weeghel, PhD c, Yanaika S. Sabogal Piñeros, PhD a, b, Pallav L. Shah, MD, FRCP d, e, f, Nick H.T. ten Hacken, MD, PhD g, Jouke T. Annema, MD, PhD a, Peter J. Sterk, MD, PhD a, Frédéric M. Vaz, PhD c, Peter I. Bonta, MD, PhD a, , René Lutter, PhD a, b, ,
a Department of Respiratory Medicine, Amsterdam University Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands 
b Department of Experimental Immunology, Amsterdam Infection and Immunity Institute, Amsterdam University Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands 
c Laboratory Genetic Metabolic Diseases, Core Facility Metabolomics, Department of Clinical Chemistry, Amsterdam University Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands 
d Royal Brompton Hospital, London, United Kingdom 
e National Heart and Lung Institute, Imperial College, London, United Kingdom 
f Chelsea and Westminster Hospital, London, United Kingdom 
g Department of Pulmonology, University Medical Center Groningen, University of Groningen, Groningen, The Netherlands 

Corresponding authors: Abilash Ravi, PhD, B02-075, Department of Pulmonology, Leiden University Medical Center, Albinusdreef 2, 2333 ZA, Leiden, The Netherlands.B02-075Department of PulmonologyLeiden University Medical CenterAlbinusdreef 22333 ZALeidenThe Netherlands∗∗René Lutter, PhD, K0-150 Department of Respiratory Medicine and Experimental Immunology, Amsterdam University Medical Center, Meibergdreef 9, 1105 AZ, Amsterdam, The Netherlands.K0-150 Department of Respiratory Medicine and Experimental ImmunologyAmsterdam University Medical CenterMeibergdreef 91105 AZAmsterdamThe Netherlands

Abstract

Background

Asthma is a heterogeneous disease with differences in onset, severity, and inflammation. Bronchial epithelial cells (BECs) contribute to asthma pathophysiology.

Objective

We determined whether transcriptomes of BECs reflect heterogeneity in inflammation and severity in asthma, and whether this was affected in BECs from patients with severe asthma after their regeneration by bronchial thermoplasty.

Methods

RNA sequencing was performed on BECs obtained by bronchoscopy from healthy controls (n = 16), patients with mild asthma (n = 17), patients with moderate asthma (n = 5), and patients with severe asthma (n = 17), as well as on BECs from treated and untreated airways of the latter (also 6 months after bronchial thermoplasty) (n = 23). Lipidome and metabolome analyses were performed on cultured BECs from healthy controls (n = 7); patients with severe asthma (n = 9); and, for comparison, patients with chronic obstructive pulmonary disease (n = 7).

Results

Transcriptome analysis of BECs from patients showed a reduced expression of oxidative phosphorylation (OXPHOS) genes, most profoundly in patients with severe asthma but less profoundly and more heterogeneously in patients with mild asthma. Genes related to fatty acid metabolism were significantly upregulated in asthma. Lipidomics revealed enhanced levels of lipid species (phosphatidylcholines, lysophosphatidylcholines. and bis(monoacylglycerol)phosphate), whereas levels of OXPHOS metabolites were reduced in BECs from patients with severe asthma. BECs from patients with mild asthma characterized by hyperresponsive production of mediators implicated in neutrophilic inflammation had decreased expression of OXPHOS genes compared with that in BECs from patients with mild asthma with normoresponsive production. BECs obtained after thermoplasty had significantly increased expression of OXPHOS genes and decreased expression of fatty acid metabolism genes compared with BECs obtained from untreated airways.

Conclusion

BECs in patients with asthma are metabolically different from those in healthy individuals. These differences are linked with inflammation and asthma severity, and they can be reversed by bronchial thermoplasty.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Key words : Bronchial epithelium, metabolism, thermoplasty

Abbreviations used : BEC, BMP, BT, COPD, CXCL-8, GSEA, ICS, IPA, LPC, OXPHOS, PC, TASMA, TIA-1, TiAR


Plan


 Supported by the Netherlands Asthma Foundation (currently the Lung Foundation [projects 3.2.10.069, 3.2.07.012, and 3.2.06.031]), GSK (CRT 114696), and Stichting Astma Bestrijding (project 2013_009). The explorative trial RILCO (Role of Innate Lymphoid Cells in COPD) was supported in part by Medimmune (Gaithersburg, Md). The TASMA (Unravelling Targets of Therapy in Bronchial Thermoplasty in Severe Asthma) trial is funded by the Netherlands Lung Foundation (grant 5.2.13.064JO), The Netherlands Organization for Health Research and Development (ZonMw grant 90713477), and Boston Scientific Corporation.
 Disclosure of potential conflict of interest: The authors declare that they have no relevant conflicts of interest.


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Vol 148 - N° 5

P. 1236-1248 - novembre 2021 Retour au numéro
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  • Clinical and histopathologic predictors of therapeutic response to bronchial thermoplasty in severe refractory asthma
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