Identification of underlying molecular mechanisms of obesity-associated asthma

Im Zuge der Entwicklung der personalisierten Medizin und stratifizierter Therapien ist ein umfassendes Verständnis der molekularen Mechanismen, die verschiedenen Krankheitsphänotypen zugrunde liegen, wie z. B. dem Asthma-Phänotyp, einschließlich des mit Fettleibigkeit assoziierten Asthmas, dringend erforderlich. Biologische Pfade und Funktionen von unterschiedlich exprimierten Genen und miRNAs können eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung und dem Schweregrad von fettleibigkeitsbedingtem Asthma spielen. Um diesen Zweck zu erfüllen, wurde eine Vorarbeit durchgeführt, um optimale Versuchsbedingungen zu schaffen, in der die Auswirkungen verschiedener Zeitpunkte für die Verarbeitung von CD4+ T-Zellen aus peripherem Blut untersucht wurden. So wurden jeweils zwei periphere Blutproben von drei Atopikern und drei gesunden Spendern (12 Proben) entnommen. CD4+ T-Zellen wurden aus der ersten Blutprobe innerhalb von zwei Stunden (sofort) und aus der zweiten Blutprobe nach 24 Stunden (verzögert) isoliert, transkriptomische Profile der CD4+ T-Zellen mittels RNA-Seq- Analyse untersucht und die Ergebnisse auf epigenetischer Ebene durch die H3K27ac ChIP-Seq-Analyse verifiziert. Nach erfolgreicher Etablierung idealer Versuchsbedingungen wurde peripheres Blut von 10 fettleibigen, nicht-atopischen asthmatischen Erwachsenen mit hohem Body-Mass-Index (BMI; 36,67 ± 6,90), 10 nicht fettleibigen, nicht-atopischen asthmatischen Erwachsenen mit normalem BMI (23,88 ± 2,73) und 10 gesunden Erwachsenen mit normalem BMI (23,62 ± 3,74) abgenommen. Alle Asthmapatienten wurden anhand der Kriterien Eosinophilenzahl im Blut, FeNO und IgE-Spiegel als Patienten mit einem niedrigen Typ-2-Asthma- Phänotyp eingestuft. CD4+ T-Zellen aus dem peripheren Blut wurden isoliert, und es wurde eine mRNA-Sequenzierung durchgeführt. Darüber hinaus wurde Plasma aus denselben Blutproben derselben Personen entnommen, extrazelluläre Vesikel (EVs) isoliert, EVs-RNA extrahiert und small/microRNA-Seq durchgeführt. Die transkriptomischen Profile der verzögert prozessierten CD4+ T-Zellen zeigten beim Vergleich zwischen atopischen und gesunden Personen nur 3 differentiell exprimierte Gene bei FDR < 0.1. CD4+ T-Zellen gesunder Spender wurden durch die verzögerte Ex-vivo-Blutinkubation nicht stark beeinträchtigt, während bei CD4+ T- Zellen von Atopikern nach der verzögerten Blutverarbeitung eine drastische Veränderung festgestellt wurde. Diese zeigte eine Herunterregulierung von biologischen Signalwegen wie IL-2 und IL-17, welche mit Atopie assoziert sind.. Übereinstimmende Ergebnisse wurden auf epigenetischer Ebene durch H3K27ac- Profile beobachtet. IFN-Signalwege dominierten die CD4+ T-Zellen-Reaktionen ausschließlich bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Gehalt, was sich in einer Hochregulierung verschiedener IFN-stimulierte Gene (ISGs) wie IFITM3, IFIT3, OAS2, OAS3, EIF2AK2, MX1, USP18 und GBP3-Genen zeigte, die positiv mit Lungenfunktionsparametern wie FEV1, FVC, VC max, TIFF, IC und PEF und negativ mit dem Atemwegsentzündungsmarker FeNO korrelierten. Virale Infektionswege waren bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Gehalt ebenfalls angereichert, was durch die Hochregulierung verschiedener Toll-like-Rezeptor-Gene wie TLR1, TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-6 und TLR-8 verstärkt wurde. Darüber hinaus wurden auch Adipositas-Genmarker wie IL-15 und SOCS3 in CD4+ T-Zellen von adipösen Asthmatikern im Vergleich zu nicht adipösen Asthmatikern und gesunden Kontrollpersonen hochreguliert. Andererseits waren Gap Junction und GPCR- Ligandenbindungswege in beiden Gruppen mit niedrigem Typ-2-Asthma angereichert. EVs miRNA-Cluster wie miR-2329 und miR-106b schienen bei adipösen Asthmatikern mit niedrigem Typ-2-Asthma den IFN-Signalwegen bzw. den Virusinfektionswegen zugeordnet zu sein. Darüber hinaus wurden einzelne Plasma EV herunterregulierte miRNAs wie miR-665, miR-4419b, miR-4769-3p, miR-6893-5p, miR-4743-3p, miR- 6721-5p, miR-1207-5p, miR-6132, miR-4700-3p, miR-4731-5p, miR-5089-5p, miR- 502-5p, miR-6088, miR-148a-5p und miR-373-3p schienen die meisten der angereicherten ISGs des IFN-Signalwegs in CD4+ T-Zellen anzugreifen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Dominanz der IFN-Signalwege und ihre Assoziation mit viralen Infektionswegen in der Immunantwort von CD4+ T-Zellen, den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus des mit Fettleibigkeit assoziierten Asthmas untermauern könnte. Die angereicherten ISGs in IFN-Signalwegen, ihre zugehörigen miRNAs und andere miRNA-Cluster könnten ein Ziel für biologische und stratifizierte Therapien für diesen einzigartigen Asthma-Phänotyp sein.