Oxidative stress and chorine induced airway dysfunction

The aim of this work was to examine the effects of chlorine (Cl2) gas inhalation on airway dysfunction in a mouse model of irritant-induced asthma. Cl2 inhalation induces airway hyperresponsiveness (AHR), bronchial epithelial cell damage, increased oxidative stress and airway inflammation, characterized by neutrophilia. While the effects of Cl2 inhalation had been previously characterized, mechanisms driving airway injury induced by Cl2 remained elusive. We hypothesized that oxidative stress following Cl2 was pivotally involved in mechanisms leading to airway injury. First, using antioxidants we aimed to further characterize the effects of Cl2 inhalation by evaluating airway mechanics, pulmonary antioxidant activity, lung inflammatory profiles and bronchial epithelial cell proliferation. We established that administration of antioxidants post-Cl2 inhalation was effective at ameliorating AHR, oxidative stress, bronchial epithelial cell proliferation, and airway inflammation, suggesting indirect mechanisms were responsible for Cl2-induced airway damage. Next, we depleted several inflammatory cell types in an attempt to determine which cell type, if any, was contributing to the observed effects of Cl2. We depleted macrophages, eosinophils and neutrophils and found that only depletion of neutrophils was effective at reducing airway hyperresponsivness and prevented endogenous antioxidant activity as measured by nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (NRF2) nuclear translocation. Concomitant experiments established Cl2 increased the pro-inflammatory lipid mediators cysteinyl-leukotrienes and mRNA levels of cysLT-related biosynthetic genes. Given the role of cysLTs and their receptor cysLTr1 as established pro-asthma mediators, we chose to explore the role of cysLTr1 in our model by utilizing cysLTr1 deleted mice (cysLTr1-/-). We found that deletion of cysLTr1 worsened measured outcomes following Cl2. Compared to wild-type mice, cysLTr1-/- demonstrated increased AHR, airway neutrophilia and epithelial cell apoptosis. In contrast to wild-type mice, we observed that cysLTr1-/- did not show nuclear translocation of NRF2 or increased antioxidant mRNA levels following Cl2 exposure. At baseline levels, we observed that cysLTr1-/- mice had increased e-cadherin protein expression on bronchial epithelial cells compared to wild-type mice. We propose that deletion of cysLTr1 in mice results in an increased susceptibility to Cl2 induced airway damage and dysfunction and this damage is mediated via an aberrant endogenous antioxidant response. This vulnerability to oxidant damage, likely due to increased neutrophil numbers and NRF2 idleness, may be due to an innate increase in e-cadherin, which is partially mediated via cysLTr1. Finally, we use in vitro studies to examine how exogenous cysteinyl-leukotriene D4 stimulates bronchial epithelial cells to release the neutrophil chemoattractant IL-8. We found this pathway to be dependent on the activation of the epidermal growth factor receptor. These in vitro studies establish the basis for further examination of specific pathways that may be involved in how epithelial cells may be involved in neutrophil recruitment.L'objectif du travail présenté dans cette thèse était d'examiner les effets de l'inhalation de chlore gazeux (Cl2) sur la dysfonction des voies respiratoires chez la souris, un modèle d'asthme induit par un irritant. L'inhalation de Cl2 induit une hyperréactivité bronchique (HRB), des lésions des cellules épithéliales bronchiques, une augmentation du stress oxydatif et l'inflammation des voies aériennes qui se caractérise principalement par une neutrophilie. Même si les effets de l'inhalation de Cl2 sont bien caractérisés, en revanche, les mécanismes entraînant les lésions des voies aériennes induites par le Cl2 sont toujours méconnus. Nous émettons l'hypothèse que le stress oxydatif qui survient suite à une exposition au Cl2 joue un rôle clef dans l'apparition des lésions des voies aériennes. Tout d'abord, les effets de traitements antioxydants sur l'inhalation de Cl2 ont été caractérisés en évaluant les fonctions respiratoires, l'activité antioxydante et le profil inflammatoire pulmonaire ainsi que la prolifération des cellules épithéliales bronchiques. Nous avons établi que l'administration d'antioxydants à la suite d'une inhalation de Cl2 améliore l'HBR, le stress oxydatif, la prolifération des cellules épithéliales bronchiques et l'inflammation des voies respiratoires. Ces résultats suggèrent que des mécanismes indirects sont responsables des lésions des voies respiratoires induites par Cl2. Ensuite, afin de déterminer quel(s) type(s) de cellules contribuent, le cas échéant, aux effets du Cl2, nous avons effectué une déplétion de plusieurs types de cellules inflammatoires : macrophages, éosinophiles et neutrophiles. Nous avons constaté que seule la déplétion des neutrophiles permet de réduire l'hyperréactivité bronchique et de prévenir l'activation des facteurs antioxydants endogènes, telle que mesurée par la translocation nucléaire du facteur nucléaire (erythroid-derived 2)-like 2 (NRF2). L'exposition au Cl2 augmente le taux de médiateurs pro-inflammatoires lipidiques cystéinyl-leucotriènes (cysLTs) ainsi que la quantité d'ARNm liés à la biosynthèse de ces médiateurs, dans le poumon proximal. Étant donné que les cysLTs et leur récepteur cysLTr1 sont établis comme étant des médiateurs pro-asthmatiques, nous avons choisi d'explorer le rôle de cysLTr1 dans notre modèle en utilisant des souris mutées pour le gène cysLTr1 (cysLTr1-/-). Nous avons constaté que la suppression de cysLTr1 aggrave les résultats obtenus suite à l'exposition au Cl2. Par rapport aux souris de type sauvage, les souris cysLTr1-/- montrent une augmentation de l'HBR, une neutrophilie des voies respiratoires et une apoptose des cellules épithéliales. Contrairement aux souris de type sauvage, nous avons observé que les souris cysLTr1-/- ne montrent pas de translocation nucléaire de NRF2 ni d'augmentation des niveaux d'ARNm anti-oxydantes après une exposition au Cl2. Nous avons observé que l'expression des protéines E-cadhérine dans les cellules épithéliales bronchiques des souris cysLTr1-/- est augmentée par rapport aux souris de type sauvage. Nous proposons que la suppression de cysLTr1 chez la souris cause une sensibilité accrue aux lésions et aux dysfonctionnements des voies respiratoires induites par le Cl2. Nous pensons qu'une réponse aberrante des antioxydants endogènes est à l'origine de ces dommages. Cette vulnérabilité aux dommages oxydatifs, probablement causée par l'augmentation du nombre de neutrophiles et l'absence de translocation NRF2, peut s'expliquer par une augmentation innée de l'e-cadhérine, partiellement contrôlée par cysLTr1. Contrairement à une carence chronique en cysLTr1, une exposition aiguë à LTD4 des cellules épithéliales respiratoires humaines provoque une cascade d'événements conduisant à la libération d'HB-EGF, l'activation du récepteur d'EGF et la libération IL-8. À la fois protecteurs et pro-inflammatoires/régénérateurs, les leucotriènes s'avèrent jouer un rôle complexe dans la réponse de l'hôte à une exposition au Cl2