Reversibility of airway remodeling in equine asthma : contribution of anti-inflammatory and bronchodilator therapies

Abstract

L’asthme bronchique est caractérisé par un remodelage et une inflammation des voies aériennes. La masse du muscle lisse ainsi que la déposition de matrice extracellulaire sont augmentées dans la paroi des bronches asthmatiques, ce qui contribue à l’obstruction respiratoire. Peu d’études ont évalué les effets des traitements utilisés dans l’asthme sur le remodelage bronchique, et surtout peu de données sont disponibles concernant les effets sur le muscle lisse. La combinaison de corticostéroïdes et de β2-agonistes à longue durée d’action administrée par inhalation permet de mieux contrôler les crises d’asthme par rapport à la monothérapie avec des médicaments corticostéroïdes. Cependant, l’action spécifique de la combinaison sur le remodelage et sur l’inflammation des bronches périphériques n’est pas décrite. Surtout, il reste à clarifier si l’administration de la combinaison est avantageuse par rapport à la monothérapie corticostéroïde. La plupart des études réalisées chez l’homme utilisent des tissus bronchiques obtenus par biopsie endobronchique, qui ne sont pas représentatifs du processus pathologique affectant les voies respiratoires périphériques. Leur inaccessibilité par des méthodes non invasives est la raison pour laquelle si peu de données existent sur la pathophysiologie des voies périphériques chez les patients asthmatiques. L’asthme équin, aussi connu comme « le souffle », est une pathologie obstructive des chevaux adultes considérée comme un modèle animal d’asthme humain. Elle est caractérisée par un remodelage des bronches périphériques et par une inflammation bronchoalvéolaire de type neutrophilique. En étudiant le modèle équin, cette thèse a évalué la contribution des médicaments corticostéroïdes et de β2-agonistes à longue durée d’action, administrée comme monothérapies ou en combinaison, sur la réversibilité du remodelage et de l’inflammation de voies aériennes dans l’asthme bronchique. A cette fin, nous avons d’abord optimisé et validé l’application de la biopsie endobronchique et de l’échographie endobronchique chez le cheval adulte. Nos résultats indiquent que les échantillons obtenus par biopsie endobronchique sont inadéquats pour l’évaluation quantitative de la masse du muscle lisse chez le cheval. Cependant, ils permettent d’étudier les changements quantitatifs des structures épithéliales et de la lamina propria, ainsi que les aspects qualitatifs du muscle lisse. L’échographie endobronchique, quant à elle, permet d'estimer la masse du muscle lisse bronchique, et ce, chez des chevaux sains et chez des chevaux asthmatiques. Cette thèse démontre aussi que qu’un traitement de 12 semaines avec des corticostéroïdes induit une diminution significative de la masse du muscle lisse périphérique, qui n’est pas amélioré davantage par l’administration concomitante d’un β2-agoniste à longue durée d’action. Cette diminution est toutefois incomplète. Un effet positif et synergique de la combinaison a également été observé au niveau de la déposition de matrice extracellulaire. La combinaison a produit une diminution significative de la quantité de matrices déposées dans la lamina propria et dans la couche du muscle lisse dans les bronches centrales, alors que l’effet été limité à la couche du muscle lisse dans les bronches périphériques. La combinaison n’améliore pas le contrôle de l’inflammation bronchique ni bronchiolaire par rapport aux monothérapies ; cependant, elle diminue la neutrophilie bronchoalvéolaire de façon synergique.

Airway remodeling and inflammation are the hallmarks of asthma. Both airway smooth muscle (ASM) mass and extracellular matrix (ECM) deposition are increased in the central and peripheral airways of asthmatic patients, which contribute to airway obstruction. Few studies have investigated the ability of current asthma medications to reverse airway remodeling, especially the increased ASM mass. Inhaled corticosteroids (ICS) and long-acting β2-agonist combinations (ICS/LABA) are more effective than ICS monotherapy to control asthma exacerbations. However, their efficacy at modifying bronchial inflammation and remodeling at the peripheral level of the lung is not well-described. In fact, most work has been performed using endobronchial biopsy samples obtained from asthmatic subjects, which completely disregard the alterations occurring in peripheral airways. Ethical considerations limit the possibility of biopsying the peripheral airways in humans due to the invasiveness of the procedure. Equine asthma, or heaves, is a naturally-occurring disease of adult horses and a recognized animal model of human asthma characterized by neutrophilic inflammation as well as ASM and ECM remodeling of peripheral airways. This thesis has assessed the contribution of ICS and LABA, alone or combined, to the reversal of remodeling and inflammation in central and peripheral airways using the equine asthma model. To attain this goal, we have first optimized and validated the application of endobronchial biopsy and endobronchial ultrasound (EBUS) in the equine species. EBUS reliably estimates the bronchial ASM. Subsequently, asthmatic horses with ongoing airway remodeling and inflammation were treated with ICS, LABA, ICS/LABA, or antigen avoidance. Lung function, airway remodeling and inflammation were then assessed weekly for 3 months. Our results demonstrated a 30% decrease of peripheral ASM remodeling attained with ICS and ICS/LABA pharmacological treatment. A decrease of a similar magnitude of peripheral ASM was previously reported after 6 and 12 months of ICS monotherapy and antigen avoidance, respectively. A synergistic effect of ICS/LABA was observed on ECM deposition and airway lumen neutrophils. ICS/LABA decreased the ECM fraction of the ASM layer both peripherally and centrally, while the same effect on the lamina propria was observed only in central airways. Both ICS/LABA and ICS monotherapy decreased submucosal inflammation in central airways, while only ICS/LABA and antigen avoidance decreased bronchoalveolar neutrophilia. In conclusion, our results suggest that the enhanced therapeutic effect of ICS/LABA over ICS monotherapy in asthmatic horses was associated with a reduction of ECM deposition, mainly observed within the large airways, and possibly also with a decreased airway neutrophilia. However, ICS/LABA did not provide additional benefit to ICS monotherapy in terms of peripheral ASM remodeling as both induce a 30% decrease of the ASM mass in 3 months.