Oxidative stress and anti-oxidant response in allergen, virus, and corticosteroids withdrawal-induced asthma exacerbation.

It is now estimated that over than 300 million people of all ages and races, suffer from asthma.1 The burden of this disease for governments, families, and patients is increasing globally. Asthma is a heterogeneous and complex condition caused by a combination of genetic and environmental factors. Asthma is characterized by recurrent cough, wheeze, chest tightness, and responsive to bronchodilators. Airway hyper-responsiveness, chronic airway inflammation, remodelling, and mucus hyper-secretion are important features of asthma. Oxidative stress is thought to play a central role in asthma.2 It occurs when the production of oxidative species overcomes the ability of the biological systems to detoxify or repair the resulting cellular damage. Oxidative stress and a disturbed anti-oxidant status are well established in asthmatics. However, no systematic examination of protein oxidation and anti-oxidant defenses has been performed. This thesis has been focused on the evaluation of oxidative stress and anti-oxidant response in asthma and during its exacerbation. The current thesis was aimed to assess the oxidative consequences of an asthma exacerbation on cellular proteins and to identify anti-oxidant pathways involved in the protective response. The thesis also has had as object the relation between oxidative stress, anti-oxidant status, and asthma symptoms. A comprehensive bio-chemical evaluation of oxidative status and anti-oxidant defenses is needed to identify the nature and extent of any possible anti-oxidant deficiency during asthma and its exacerbation. A full understanding of the redox control of asthma exacerbation could support the development of safe and effective therapeutic interventions. The population that participated in the studies included in this thesis consists of 4 groups of asthmatics. The first group of nine mild asthmatics was challenged with Rhinovirus-16. The second group included twenty allergic asthmatics exposed to House Dust Mite (HDM) in order to provoke an allergen-induced asthma. The third group was composed of thirty-seven laboratory animal workers exposed to occupational allergens from rodents over a period of two years; some of them did become allergic. The fourth group included twenty-three asthmatics under corticosteroids treatment whose withdrawal caused the asthma exacebation on-set. In vivo, ex-vivo, and in-vitro experiments have been performed in different settings and with different purposes in order to elucidate the relation of oxidative status and asthma exacerbation. Protein oxidation has been evaluated as stable bio-marker of oxidative stress and the expression level was measured for several anti-oxidant and cyto-protective proteins in plasma and induced sputum from asthmatics. Pro-inflammatory mediator production has been also determined. Patients during asthma exacerbation, as expected, showed higher level of oxidative stress. Interestingly, patients during an exacerbation were also more susceptible to oxidative protein damage; this was associated with a reduced anti-oxidant capacity, reduced nuclear translocation of the main anti-oxidant transcription factor, and enhanced pro-inflammatory mediator production. Furthermore, baseline levels of oxidative stress were able to predict which patients were more prone to develop exacerbation symptoms. Taken together these results suggest that enhancing local anti-oxidant mechanisms in asthmatics may attenuate airway inflammation and the exacerbation.

Si stima che oltre 300 milioni persone di tutte le età e razze, soffrono di asma.1 L'onere di questa malattia per i governi, le famiglie, e i pazienti è in aumento a livello globale. L'asma è una condizione eterogenea e complessa causata da una combinazione di fattori genetici e ambientali. L'asma è caratterizzata da tosse ricorrente, respiro sibilante, senso di costrizione toracica, e responsività ai broncodilatatori. Iper-reattività bronchiale, infiammazione cronica, alterazioni strutturali delle vie aeree, e iper-secrezione ghiandolare sono altre caratteristiche dell asma. Lo stress ossidativo svolge un ruolo centrale nella patogenesi dell asma.2 Esso si verifica quando la produzione di specie ossidanti supera la capacità dei sistemi biologici di detossificazione o di riparo. La presenza di un alterato status ossidante è ben stabilita in pazienti asmatici. Tuttavia, non è stata ancora eseguita alcuna analisi sistematica del danno ossidativo e sulle risposte cellulari anti-ossidanti negli asmatici. Questa tesi è stata incentrata sulla valutazione dello stress ossidativo e risposta anti-ossidante nell'asma e durante la sua riacutizzazione. La presente tesi ha avuto lo scopo di valutare le conseguenze ossidative che le riacutizzazioni hanno sulle proteine cellulari e di individuare i principali meccanismi anti-ossidanti coinvolti nella risposta cito-protettiva. La tesi ha studiato la relazione tra stress ossidativo, stato anti-ossidante, e sintomi da riacutizzazione asmatica. Una valutazione bio-chimica completa dello stato ossidativo e delle risposte anti-ossidanti è necessaria per identificare la natura e la portata di eventuali deficit anti-ossidanti associati con l'asma e la sua riacutizzazione. Una piena comprensione dello stato ossido-riduttivo nelle riacutizzazioni dell'asma potrebbe sostenere lo sviluppo di nuovi interventi terapeutici sicuri ed efficaci. La popolazione che ha partecipato negli studi inclusi in questa tesi è composta da 4 gruppi di asmatici. Il primo gruppo di nove asmatici è stato esposto al Rhinovirus-16. Il secondo gruppo comprendeva venti asmatici atopici esposti all acaro della polvere. Il terzo trentasette individui sani impiegati in laboratori ed esposti ad allergeni da roditori per un periodo di due anni; alcuni di loro sono diventati allergici. Il quarto gruppo comprendeva ventitré asmatici in trattamento con corticosteroidi la cui sospensione è stata eseguita allo scopo di studiare la riacutizzazione asmatica indotta dalla sospensione di questi farmaci. Sono stati condotti diversi esperimenti in vivo, ex vivo e in vitro per chiarire la relazione tra stato ossidativo e la riacutizzazione asmatica. L ossidazione delle proteine cellulari è stata valutata come stabile indice biologico di stress ossidativo e il livello di espressione è stato misurato per diverse proteine anti-ossidanti nel plasma e nell espettorato indotto. È stata anche determinata la produzione di mediatori pro-infiammatori. I pazienti durante la riacutizzazione dell'asma, come previsto, mostravano livelli più alti di stress ossidativo. L entità del danno ossidativo risultava associata alla severità della sintomatologia. È stato interessante riscontrare che i pazienti durante una riacutizzazione asmatica erano anche più suscettibili a danni ossidativi delle proteine cellulari; questo è stato associato ad una riduzione della capacità anti-ossidante cellulare, ridotta traslocazione nucleare del principale fattore di trascrizione anti-ossidante, e maggiore produzione di mediatori pro-infiammatori. Inoltre, i livelli basali di stress ossidativo sono stati in grado di predire quali pazienti erano più inclini a sviluppare sintomi di riacutizzazione. Questi risultati suggeriscono che il rafforzamento dei meccanismi anti-ossidanti locali e sistemici in asmatici può attenuare l'infiammazione delle vie aeree e il suo aggravamento durante le fasi di riacutizzazione.