The genetic control of airway responsiveness and the effect of resiquimod treatment on allergic asthma

Asthma is a heterogeneous airway disease caused by a mixture of genetic and environmental factors which result in improper immune responses to innocuous antigens. Toll-like receptors (TLR) are pathogen associated pattern recognition receptors which form homo- or heterodimers which bind specific ligands leading to activation and modulation of immune responses. The present study examined the effect of resiquimod, a synthetic toll-like receptor 7 ligand, on the development of allergic asthma pathology in animal models. Resiquimod treatment of ovalbumin sensitized mice prevented the subsequent development of airway hyperresponsiveness and inflammation, increased plasma IgE levels, and both TH1 and TH2 cytokine production. This effect was independent of the Mapkapk2 gene but was ineffective in Myd88 knockout mice.A defining feature of asthmatic airways is airway wall remodelling which is characterized by an increase in airway smooth muscle mass, goblet cell hyperplasia, and the deposition of extra-cellular matrix components. The effects of resiquimod treatment on the development of airway remodelling were examined in Brown Norway rats. Resiquimod treatment prevented the increase in airway smooth muscle mass and goblet cell hyperplasia observed in control animals. These effects were associated with a reduction in the number of proliferating airway cells and were preceded by an abrogation of the allergic inflammatory reaction.Employing gene expression microarray analysis, the transcriptome of resiquimod treated, and untreated asthmatic A/J and C57BL/6 mice, was characterized. Asthma induction resulted in the up-regulation of genes involved with the control of cell cycle progression, the complement and coagulation cascades, and chemokine signalling, findings which are consistent with previous reports. Treatment with resiquimod resulted in the normalization of asthma induced genes related to airway remodelling and chemokine signalling. Additionally, treatment resulted in the induction of cell adhesion genes, and genes involved in natural killer (NK) cell-mediated cytotoxicity. Furthermore, NK cell recruitment to the lungs and livers of resiquimod treated mice was demonstrated, though treatment efficacy was not dependent on these cells.The difference in asthma susceptibility between A/J and C57BL/6 mice was further explored at the genetic level. Specifically, airway responsiveness, a predisposing factor for the development of asthma in humans, was assessed using a panel of 33 recombinant congenic strains of mice derived from A/J and C57BL/6 parental strains. A genotype-phenotype association analysis was then performed and identified 16 chromosomal regions as significantly associated with airway responsiveness. Of these 16 regions, 8 are novel while the remainder have previously been linked with airway responsiveness. Several likely candidates have been identified from these 16 regions, but further study will be required in order to determine if these genes have any causal relationship with airway responsiveness.Overall, the data presented in this thesis demonstrate and characterize the protective effect of resiquimod treatment against both the acute and chronic pathological changes associated with the development of asthma. Furthermore, genetic factors which are associated with a predisposition to the development of asthma and with asthma pathology have been described at the genetic and transcriptional levels, respectively. Taken together, these findings further our understanding of the molecular basis of asthma pathology and will aid in the development of new therapeutic strategies.L'asthme est une maladie des voies respiratoires causée par une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux qui entraîne une réponse immunitaire inappropriée contre des antigènes bénins. Les TLRs (récepteurs ressemblant à Toll) sont des récepteurs qui reconnaissent des motifs dérivés de pathogènes qui forment des homo- ou hétérodimères se liant à des ligands spécifiques qui amènent à l'activation et la modulation de diverses réponses immunitaires. La présente étude a examiné l'effet du composé resiquimod, un ligand synthétique de TLR-7, dans le développement pathologique de l'asthme allergique dans des modèles animaux. Chez les souris sensibilisées avec l'ovalbumine, le traitement avec resiquimod a prévenu le développement subséquent de l'hyperréactivité et l'inflammation des voies aériennes, l'augmentation des niveaux d'IgE, ainsi que la production de cytokines de type TH1 et TH2. Cet effet est indépendant du gène Mapkapk2 mais requiert la présence du gène Myd88.Une caractéristique des voies aériennes asthmatiques est le remodelage de la paroi des voies respiratoires. Les effets du traitement avec resiquimod sur le remodelage des voies respiratoires ont été examinés chez les rats brun norvégien. Ce traitement a prévenu l'augmentation de la masse des muscles lisses des voies respiratoires ainsi que l'hyperplasie des cellules caliciformes chez les témoins. Ces effets étaient précédée par l'élimination de la réaction inflammatoire allergique.Le transcriptome de souris A/J et C57BL/6 traité et non-traité avec resiquimod fut analysé en utilisant des puces à ADN pour l'analyse de l'expression des gènes. Le déclenchement de l'asthme a provoqué l'induction de gènes impliqués dans le contrôle de la progression du cycle cellulaire, la cascade du complément et de la coagulation, et la signalisation des chimiokines. Ces résultats sont conformes avec les études antérieures. Le traitement avec resiquimod a entrainé la normalisation des gènes induits par l'asthme liés au remodelage des voies respiratoires et la signalisation des voies chimiokines. Par ailleurs, le traitement a résulté en l'induction de gènes reliés à l'adhésion cellulaire et des gènes impliqués dans la cytotoxicité médiée par les cellules tueuses naturelles (NK). De plus, le recrutement des cellules NK dans les poumons et le foie a été démontré chez des souris traitées avec resiquimod. Cependant, l'efficacité du traitement n'était pas dépendante des cellules NK.La différence dans la susceptibilité de l'asthme entre les souris A/J et C57BL/6 fut exploré davantage au niveau génétique. Plus spécifiquement, la réactivité des voies respiratoires fut évalué à l'aide d'un panneau de 33 souches de souris congéniques recombinantes qui était dérivé de souris parentales A/J et C57BL/6. Une analyse de l'association entre le génotype et le phénotype fut ensuite effectuée et 16 régions chromosomiques qui sont associées de façon significative à la réactivité des voies respiratoires ont été définies. De ces 16 régions, 8 sont nouvelles alors que les autres ont déjà été lié à la réactivité des voies respiratoires. De ces 16 régions, plusieurs candidats potentiels furent identifiés. Cependant, des recherches additionnelles seront requises afin de déterminer si ces gènes ont une relation de cause à effet avec la réactivité des voies respiratoires.En conclusion, les données présentées dans cette thèse démontrent et caractérisent l'effet protecteur apporté par le traitement avec resiquimod contre les changements pathologiques associés à l'asthme chronique et aigu. Par ailleurs, les facteurs génétiques qui sont associés à une prédisposition du développement de l'asthme et de la pathologie de l'asthme ont été décrits au niveau génétique et transcriptionnel, de façon respective. Prises ensemble, ces découvertes avancent notre compréhension au point de vue moléculaire de la pathologie de l'asthme et aideront au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques