Characterization of the plasminogen activators responses in experimental models of lung injury caused by particulate pollutants : evaluation of this parameter as a marker of lung fibrosis

Introduction : En médecine professionnelle et environnementale, l’exposition) des polluants inorganiques (silice, asbeste, poussières de charbon, …) reste une cause majeure de troubles fonctionnels respiratoires, de morbidité et mortalité pulmonaire. Le développement et l’application de marqueurs biologiques sensibles, spécifiques et si possible prédictifs des atteintes pulmonaires (e.g. la fibrose) occupent dès lors une place centrale dans ces disciplines de la médecine préventive.
Objectifs : Régis principalement par les cellules inflammatoires du tractus respiratoire, la dégradation du parenchyme pulmonaire induite par l’exposition chronique aux poussières minérales et le processus de réparation tissulaire qui y fait suite apparaissent jouer un rôle déterminant dans le développement de lésions fibrotiques irréversibles. Parmi les différents acteurs de la réponse inflammatoire et/ou fibrotique du tissu pulmonaire (oxydant, cytokines, protéases …), les activateurs du plasminogène (PA) et leurs inhibiteurs (PAIs) sont directement impliqués dans les processus de fibrinolyse, de dégradation de la matrice extracellulaire et de migration cellulaire. Centrée sur une approche mécanistique, cette étude a pour objectif premier de caractériser la réponse PA/PAI lors de différents types de lésions pulmonaires, de préciser le rôle de ces médiateurs dans la fibrogenèse, d’identifier de nouveaux biomarqueurs potentiels de la fibrose pulmonaire.
Résultats et conclusions : Chez la souris, nous observons une augmentation dose-dépendante de l’activité PA au sein du liquide de lavage bronchoalvéolaire (BALF) lors de la réponse inflammatoire aiguë induite par l’instillation intrachéale de particules fibrosantes (Silice, SiO2) ou non (Oxyde de Manganèse, MnO2 et Oxyde de Titane, TiO2), alors que la particule inerte (Carbure de tungstène, WC) reste sans effet. Cette activité PA identifiée comme étant de l’urokinase (uPA) retourne aux valeurs contrôles endéans 30 jours excepté pour le modèle fibrotique (SiO2), présentant encore des taux d’activité PA significativement élevés 120 jours après l’exposition. L’augmentation persistante de l’activité uPA dans le modèle fibrotique (tant soluble qu’associé aux cellules inflammatoires du BAL) résulte d’une sur-expression concomitante d’uPA et de ses inhibiteurs PAI-1 et PAI-2. L’implication des macrophages alvéolaires en tant que producteurs d’urokinase a pu être démontrée et la contribution des neutrophiles a pu être écartée. La participation des pneumocytes en tant que producteurs d’uPA et PAIs est suggérée. Un mois après l’exposition aux particules d esilice, nous observons une accélération du processus fibrotique chez des souris déficientes en uPA alors que la réponse inflammatoire aiguë est comparable chez les animaux déficients et les animaux sauvages. L’ensemble de nos résultats suggère dont une contribution de l’urokinase en tant que facteur limitant le développement de la silicose et permet de penser à une possible valeur de l’urokinase en tant que biomarqueur du risque fibrotique associé à l’exposition aux polluants inorganiques. En accord avec nos résultats expérimentaux, nous avons observé une réduction significative de l’activité PA au sein du liquide de lavage bronchoalvéolaire de patients atteints de sarcoïdose, silicose et fibrose idiopathiques. Les corrélations positives observées entre les paramètres pulmonaires fonctionnels (CPT % et DLco%) et l’activité PA suggèrent une relation avec la sévérité de l’atteinte parenchymateuse, renforçant l’intérêt éventuel de ce candidat biomarqueur pour le suivi de populations exposées à des risques toxiques respiratoires

Lung dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Several epidemiological studies have clearly demonstrated that exposure to environmental and occupational pollutants play an important role in the occurrence and/or evolution of various lung diseases. To date, medical treatment of chronic lung disorders such as pulmonary fibrosis is still limited in its efficiency. Conventional therapy consisting in glucocorticoids or cytotoxic agents is usually ineffective in blocking the progression of fibrotic disease. These facts necessitate primary prevention, medical screening of exposed subjects, monitoring of exposure and post-exposure surveillance of the workers. In terms of prevention, a better understanding or pathogenic mechanisms underlying pulmonary fibrosis may be useful to generate new insight tools to identify early biological effects, correlated with, and possibly predictive of lung health impairment (biomarkers). Also, biomarkers of prognostic significance, predictive of future development/aggravation of the disease are of potential interest in preventive medicine.
Several studies have suggested that cellular and biochemical alterations on the lower respiratory tract may be the forerunners of intraclinical inflammation which may eventually lead to clinical illness, e.g. long term fibrosis. Current concepts of the pathogenesis of extracellular matrix alterations and fibrosis in diverse interstitial lung disorders suggest that activated lung inflammatory cells play a critical role in mediating these changes [Reiser and Last, 1986; Crouch 1990. Firstly, inflammatory cells amplify the disruption of the normal lung architecture by contributing to the local tissue injury. Secondly, inflammatory cells direct, in part, the accumulation of mesenchymal cells in the local milieu, and thus contribute to the development of the repair process and of fibrosis itself. There have been numerous recent advances in our understanding of the fibrotic lung disorders. Questions remain however about the nature of the inciting and perpetuating injuries, the identity of key effector cells and mediators, and the mechanisms of pulmonary structural remodelling. Among the different inflammatory mediators involved in alveolitis (activated oxygen species, cytokines, proteinases, …) this study will focus on plasminogen activators and tissue repair. Overstimulation or damage to alveolar macrophage, epithelial/endothelial cells may induce the expression of PA/PAI proteases at sites of lung inflammation which is believed to be of particular relevance to the injury process. Also, the removal of intraalveolar fibrin exudate, almost exclusively mediated by the PA system, represents a crucial event to the recovery from lung injury. Alveolar fibrin deposition not only supports the healing process accompanying the initial phases of lung injury but also promotes fibroblast ingrowth, which leads to the development of fibrosis.
The primary aims if this work are :
(i) to delineate common or distinct lung PA/PAI responses induced by various particulate pollutants generated in industrial settings,
(ii) to elucidate new insights in the biological mechanism of particulate-induced pulmonary fibrosis,
(iii) to suggest new candidate biomarkers of inflammatory and/or fibrotic reaction of the lower respiratory tract caused by particulate pollutants,
(iv) to further examine the implication of PA-related proteins within a general framework of chronic lung fibrotic disorders by exploring their changes in patients with lower respiratory tract lesions and matched controls. […]