This thesis focuses on transforming growth factor (TGF)-β signalling system in the human lung. Two lung parenchymal diseases, idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD), were studied. In IPF, persistent fibroblasts and extracellular matrix accumulate in the lung parenchyma, causing thickening of the parenchyma with subsequent difficulties in breathing. An opposing process in the lung parenchyma is seen in emphysematous lung in COPD, where alveolar wall damage causes loss of alveolar structure and shortness of breath.
The aim of the study was to examine alterations in TGF-β signalling activity in pathologically distinct areas of damaged lung tissue (fibrosis, emphysema). Furthermore, TGF-β signalling properties, i.e. storage and activation, as well as the role of transcription factor GATA-6 in the pathogenesis of IPF were studied. Finally, novel treatment options for IPF were sought.
The studied materials were tissue samples from patient lung biopsies along with a selection of commercial and primary lung cell lines. Gene expression levels and protein (co)localization as well as cell differentiation were studied with modern molecular biology tools. Reporter cells and high-throughput screening were used in the search for new candidate drugs for IPF. The results of the screen were validated in a mouse model of silica-induced pulmonary fibrosis.
The results showed that TGF-β signalling activity varies within pathologically distinct areas of the lung, with emphysematous areas showing decreased and fibrotic areas showing increased signalling activity. In fibrotic tissue, this is accompanied by a significant increase in the storage and activation of latent TGF-β.
It is a common belief that the fibroblastic foci (i.e. aggregates of (myo)fibroblasts) in IPF consist of actively proliferating cells. Here, this view was challenged as fibroblastic foci were found to consist of quiescent, non-proliferating and non-apoptotic cells. These cells, however, were still responsive to TGF-β signals, suggesting that they keep contributing to the extracellular matrix accumulation. Transcription factor GATA-6 was found to be a crucial mediator of the TGF-β-induced cell differentiation of epithelial cells and fibroblasts towards a myofibroblast-like phenotype.
For the first time in IPF research, high-throughput screening technology was used in the search for novel treatment options. The results were promising: primary in vitro data revealed one compound which affected TGF-β family signalling and showed biologically significant antifibrotic effects in a mouse model of fibrosis. The data obtained here offers a starting point for further studies.Idiopaattisessa keuhkofibroosissa (idiopathic pulmonary fibrosis, IPF) soluja ja soluväliainetta alkaa tuntemattomasta syystä kertyä keuhkokudokseen. Tämän seurauksena keuhkokudos paksuuntuu ja kaasujenvaihto vaikeutuu. Vastakkainen ilmiö on keuhkoahtaumataudille (chronic obstructive pulmonry disease, COPD) tyypillinen emfyseema eli keuhkojen laajentuma, jossa keuhkorakkularakenne on tuhoutunut.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää TGF-β-sytokiinin (transforming growth factor-beta) signaalinvälityksessä tapahtuvia muutoksia vaurioituneiden keuhkojen eri alueilla (fibroosi, emfyseema). Lisäksi tutkittiin TGF-β:n varastointia ja aktivaatiota sekä transkriptiofaktori GATA-6:n roolia keuhkofibroosin patogeneesissä. Lopuksi etsittiin uusia mahdollisuuksia keuhkofibroosin lääkehoitoon. Tutkimusmateriaaleina käytettiin keuhkokudosnäytteitä sekä erilaisia solulinjoja. Geenien ilmentymistä, proteiinien sijaintia kudoksessa sekä solujen erilaistumista tutkittiin modernein ja monipuolisin molekyylibiologian menetelmin. Molekyylikirjastojen seulonnassa hyödynnettiin tehoseulontateknologiaa.
Tutkimustulokset osoittivat, että TGF-β-signalointiaktiivisuus vaihtelee vaurioituneen keuhkokudoksen eri alueilla: se oli laskenut keuhkokudosnäytteiden emfysemaattisilla alueilla ja kohonnut fibroottisilla alueilla. Fibroottisessa keuhkokudoksessa havaittiin merkittävää nousua myös TGF-β:n varastointiin ja aktivaatioon liittyvän proteiinin ilmentymisessä.
Perinteisesti on uskottu, että fibroblastifokukset eli fibroosille tyypilliset (myo)fibroblastisolujen muodostamat pesäkkeet muodostuvat aktiivisesti jakautuvista soluista. Tutkimustulostemme mukaan näiden pesäkkeiden solut näyttäisivät kuitenkin olevan lepotilassa, ts. niillä ei havaittu aktiivista solunjakautumista tai ohjelmoitua solukuolemaa. Tästä huolimatta myofibroblastit olivat säilyttäneet kykynsä ottaa vastaan TGF-β-välitteisiä signaaleja, mikä viittaisi siihen, että ne edelleen ylläpitävät soluväliaineen tuottoa. Transkriptiofaktori GATA-6:n todettiin olevan oleellinen osa TGF-β:n indusoimaa, epiteeli- ja fibroblastisolujen erilaistumista ohjaavaa signaalinvälitysreittiä.
Tehoseulontateknologiaa käytettiin ensimmäistä kertaa IPF-tutkimuksessa. Tulokset olivat lupaavia: molekyylikirjastojen seulonnoissa löytyi yksi TGF-β-perheen signalointiin vaikuttava yhdiste, jolla pystyttiin osoittamaan biologisesti merkittäviä antifibroottisia vaikutuksia keuhkofibroosin hiirimallissa
