The anti-inflammatory potential of vitamin D in cystic fibrosis

Cystic fibrosis (CF) is a fatal genetic disorder characterized by chronic inflammation in the airways, involving an accumulation of neutrophils induced by increased production of interleukin (IL)-8 by pulmonary macrophages and airway epithelial cells. Increased airway inflammation leads to progressive lung damage and early death in patients with CF. There is a need for more specific therapies targeting sources of airway inflammation in CF. Vitamin D deficiency is frequent in the CF population, affecting up to 95% of patients. Serum vitamin D levels have been shown to positively correlate with lung function, and negatively correlate with inflammation and infection. Restoring vitamin D levels may be an effective anti-inflammatory therapy. There are numerous points in vitamin D metabolism or signalling that could possibly be impaired in CF. Anti-inflammatory function of vitamin D requires local conversion from the circulating metabolite 25-hydroxyvitamin D (25-OHD) to the active metabolite 1,25-dihydroxyvitamin D(1,25-diOHD), which then associates with the vitamin D receptor (VDR) to mediate effects on gene expression. We evaluated the potential of vitamin D metabolism and anti-inflammatory activity in monocyte-derived macrophages from both patients with CF and healthy controls, as well as in airway epithelial cell lines expressing either delf508/delf508 or wild-type CFTR. We observed that there was no difference between CF and non-CF MDM and epithelial cell lines in expression of genes relating to vitamin D metabolism or function. In response to 25-OHD3, MDM from CF patients and submerged airway epithelial cells with delf508/delf508 CFTR (CFBE41o-) dose-dependently down-regulated IL-8 induced by diffusible products of P. aeruginosa, demonstrating that CF-derived cells are both capable of synthesizing local 1,25-OHD3 and responding to it. In healthy controls, we observed two distinct populations of MDM: vitamin D "responders", that down-regulated IL-8 in response to both 25-OHD3 and 1,25-diOHD3, and vitamin D "non-responders" whose MDM did not down-regulate IL-8 in response to either metabolite. MDM from "responders" exhibited a greater magnitude in up-regulation of MAPK phosphatase 1 (MKP-1), the innate negative regulator of inflammation and vitamin D inducible gene, suggesting that the anti-inflammatory potency of vitamin D3 metabolites in macrophages appears to be individualized according to the magnitude of MKP-1 up-regulation. Furthermore, while submerged CFBE41o- down-regulated IL-8 in response to both 25-OHD3 and 1,25-diOHD3, CFBE41o- grown at the air-liquid interface (ALI) did not. However, in contrast to "responder" MDM, IL-8 down-regulation in submerged CFBE41o- was not associated with a concomitant up-regulation of MKP-1 mRNA, suggesting that the mechanism determining the response of epithelial cells to vitamin D may be different. Our results support the heterogeneity in response to vitamin D observed in the literature, highlighting the need to define populations who would be susceptible to vitamin D repletion anti-inflammatory therapy. Furthermore, the high-doses required for down-regulation of IL-8 challenge the current recommended levels of circulating vitamin D, which are based on optimal bone health. Overall, this thesis strengthens the need for a clinical trial testing high-dose vitamin D therapy in patients with CF and evaluating its effects on airway inflammation, lung function, and progression of lung disease.La fibrose kystique (FK) est une maladie héréditaire potentiellement mortelle causée par une inflammation chronique des voies respiratoires. Elle est caractérisée par une accumulation de neutrophiles ayant été activés par une production accrue de l'interleukine (IL) -8 provenant des macrophages pulmonaires et des cellules épithéliales des voies respiratoires. Une augmentation de l'inflammation des voies respiratoires entraîne la détérioration progressive des poumons, et éventuellement le décès prématuré chez les patients atteints. Une déficience de vitamine D est fréquemment observée chez ceux atteints de FK, affectant jusqu'à 95% des patients. Des études démontrent que les taux sériques de vitamine D affectent positivement les fonctions pulmonaires, mais négativement l'inflammation et l'infection. Donc, rétablir les niveaux de vitamine D peut être une thérapie antiphlogistique efficace. La fonction anti-inflammatoire de la vitamine D nécessite une conversion locale du métabolite circulant 25-hydroxyvitamine D (25-OHD) au métabolite actif 1,25-dihydroxyvitamine D (1,25-diOHD). Cette dernière s'associe ensuite avec le récepteur de la vitamine D (VDR) afin de contrôler l'expression de plusieurs gènes. Nous avons étudié les effets de la vitamine D sur les réactions inflammatoires des macrophages dérivés de monocytes (MDM) de patients atteints de FK et de contrôles en santé, ainsi que dans des lignées cellulaires épithéliales des voies respiratoires exprimant soit la protéine du type CFTR delF508/delF508 ou du type naturel. Nous avons constaté qu'il n'y avait aucune différence dans l'expression des gènes liés au métabolisme et au fonctionnement de la vitamine D dans les MDM FK et non-FK, ainsi que les lignées de cellules épithéliales. En réponse à différentes doses de 25-OHD3, les MDM des patients FK et les cellules épithéliales des voies respiratoires immergées (CFBE41o-) ont eu un effet réducteur sur l'IL-8, produite par les produits diffusibles de Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). Cela a démontré que les cellules FK sont à la fois capables de synthétiser localement du 1,25-diOHD3 et d'y réagir. Chez les contrôles, nous avons observé deux populations distinctes de MDM : les vitamine D «répondeurs», qui régularise une baisse de l'IL-8 suite à un traitement de 25-OHD3 ou 1,25-diOHD3. Le deuxième groupe, les «non-répondeurs», ne voit aucun changement dans le niveau d'IL-8 suite au traitement d'aucun métabolite. Les MDM des «répondeurs» ont aussi démontré une hausse d'éxpression de l'ARNm de la phosphatase MAPK 1 (MKP-1), un régulateur négatif de l'inflammation induit par la vitamine D. Cela suggère que l'activité antiphlogistique des métabolites de la vitamine D dans les macrophages est définie en fonction de l'ampleur de la régulation de MKP-1. En outre, les cellules CFBE41o- immergées diminuent le niveau d'IL-8 en réponse au traitement de 25-OHD3 et 1,25-diOHD3, tandis que non chez les CFBE41o- cultivées à l'interface liquide/air (ALI). Cependant, à la différence des MDM "répondeur", la diminution d'IL-8 dans les CFBE41o- immergées n'a pas été associée à une hausse de l'ARNm MKP-1, ce qui laisse croire que le mécanisme de détermination de l'effet de la vitamine D sur les cellules épithéliales peut être différent. Nos résultats confirment l'hétérogénéité en réponse à la vitamine D observée dans la littérature, en soulignant la nécessité de définir les populations qui seraient sensibles à un traitement anti-inflammatoire excédent de vitamine D. Cependant, les dosages élevés nécessaires à la régulation de l'IL-8 vont à l'encontre des niveaux recommandés actuellement, basés sur une santé osseuse optimale. Dans l'ensemble, ces résultats soulignent la nécessité de tests cliniques de thérapie à dosage élevé de vitamine D chez les patients atteints de FK pour évaluer ses effets sur l'inflammation des voies respiratoires, la fonction pulmonaire, et la progression de la maladie pulmonaire