Doktorsvörn í líf- og læknavísindum - Jón Pétur Jóelsson

Miðvikudaginn 24. júní ver Jón Pétur Jóelsson  doktorsritgerð sína í líf- og læknavísindum við Læknadeild Háskóla Íslands. Vörninni verður streymt: https://livestream.com/hi/jonpetur

Ritgerðin ber heitið: Þróun frumulíkans fyrir þekjubrest af völdum álags við öndunarvélarmeðferð: Hlutverk azithromycin sem ónæmisbreytandi og þekjustyrkjandi lyfs. Modeling ventilator-induced lung injury in vitro: Emerging role of azithromycin as an immunomodulatory and barrier enhancing drug.

Andmælendur eru dr. Jin-Ah Park, dósent við Harvard T.H. Chan School of Public Health í Bandaríkjunum, og dr. Sif Hansdóttir, yfirlæknir lungnalækninga á lungnalækningadeild LSH.

Umsjónarkennari og leiðbeinandi var dr. Þórarinn Guðjónsson og meðleiðbeinendur voru Guðmundur Hrafn Guðmundsson prófessor og Sigurbergur Kárason dósent. Auk þeirra í doktorsnefnd var Margrét Helga Ögmundsdóttir dósent.

Engilbert Sigurðsson, prófessor og forseti Læknadeildar Háskóla Íslands, stjórnar athöfninni sem fer fram í Hátíðasal Háskóla Íslands og hefst kl. 13:30. 

Ágrip af rannsókn

Meðferð í öndunarvél er lífsbjargandi fyrir alvarlega veika sjúklinga á gjörgæsludeildum þar sem tekin er yfir vinna við öndun og stutt við loftskipti í lungum. Öndunarvélarmeðferð getur hinsvegar leitt til skemmda á öndunarþekju vegna þrýstings- og slitálags. Þetta er þekkt sem öndunarvélatengdur lungnaskaði (ÖTL) (e. ventilator-induced lung injury, VILI). Allir sjúklingar sem fá meðferð í öndunarvél eiga á hættu að fá ÖTL, sérstaklega þegar öndunarvélarmeðferð verður vandasöm sökum sjúkdóma í lungnavef, eins og þekkt er með brátt andnauðarheilkenni (BAH) (e. acute respiratory distress syndrome, ARDS). Öndunarvélarmeðferð getur þannig aukið við alvarleika BAH og framkallað  frekari skemmdir á öndunarþekjunni, en er um leið nauðsynlegt meðferðarúrræði. Rannsóknir á BAH og ÖTL eru erfiðar vegna þess hve alvarlega veikir og viðkvæmir sjúklingarnir eru. Nauðsynlegt er að finna og skilgreina áreiðanleg lífmerki (e. biomarkers) til að greina tilurð og fylgja eftir þróun BAH og ÖTL. Notkun á in vitro líkönum til að rannsaka BAH/ÖTL hefur lofað góðu en tæki sem getur framkallað þrýstibylgju (e. cyclical pressure) á frumur ræktaðar við loft-vökva millifasa (LVM) (e. air-liquid interfase, ALI), líkt og gerist við öndunarvélarmeðferð, hefur ekki verið til. Við LVM kringumstæður mynda frumurnar sérhæfða og skautaða þekju sem er mun líkari því sem gerist í lungum í stað einfrumu þekjulaga (e. monolayer) sem jafnan hafa verið notaðar við slíkar rannsóknir.

Markmið þessa doktorsverkefnis var að hanna og smíða tæki sem gæti framkallað þrýstibylgju líkt og við öndunarvélarmeðferð yfir frumurækt í LVM kringumstæðum. Jafnframt var markmiðið að rannsaka þekjustyrkjandi og ónæmisbreytandi áhrif sýklalyfsins azithromycin (AZM) í LVM, með og án þrýstibylgju álagi. AZM er breiðvirkt sýklalyf sem algengt er að nota við öndunarfærasýkingar. Þekkt er að AZM hefur áhrif til bata langvinnra lungnasjúkdóma en þau áhrif tengjast ekki sýklalyfjavirkni lyfsins en langtímanotkun þess getur hinsvegar leitt til sýklalyfjaónæmis í bakteríustofnum. Rannsóknarstofa okkar hefur áður sýnt fram á þekjustyrkjandi áhrif AZM.

Í þessu verkefni var hannað og smíðað tæki (e. cyclical pressure air-liquid interfase device, CPAD) sem getur framkallað þrýstibylgju yfir LVM ræktaðar lungnafrumur og þannig líkt eftir því sem gerist við ÖTL í in vitro líkani. Sýnt er fram á að slík þrýstibylgja veldur öflugu ónæmisviðbragði og þekjubrest LVM ræktaðrar lungnaþekju. Einnig er sýnt fram á að meðhöndlun lungnaþekjunnar með AZM leiðir til húðþekjutengdrar frumusérhæfingar með uppsöfnun blaðra og lamellar korna (e. lamellar bodies, LBs) ásamt breytingum á lípíðbúskap frumnanna. Að lokum er sýnt fram á að lungnaþekja sem fékk meðhöndlun með AZM þoldi betur  þrýstiálag í CPAD með viðhaldi á reglulegri uppröðun aktín þráða sem mynduðu óreiðu í ómeðhöndlaðri lungnaþekju. AZM meðhöndlun dró einnig úr ónæmisviðbragði í lungnaþekjum sem urðu fyrir CPAD þrýstiálagsmeðferð.

Samantekið hef ég sýnt fram á að nýtt tæki, sem líkir eftir áhrifum öndunarvélarmeðferðar, getur framkallað þrýstibylgju yfir lungnafrumur í LVM in vitro og leitt til vefjaskemmda líkt og við ÖTL. Þetta hefur gefið okkur tækifæri til að rannsaka áhrif AZM til að draga úr slíkum skemmdum  með þekjustyrkjandi eiginleikum og dempun á ónæmisviðbragði. Þessi vinna sýnir fram á frekari þörf á rannsóknum á AZM og styrkir þá hugmynd að rannsaka lyfjaafleiður AZM sem hafa ekki sýkladrepandi eiginleika en geta mögulega dregið úr eða hindrað þekjubrest.

Abstract

Mechanical ventilation (MV) is a life-saving therapy for critically ill patients, alleviating the work of breathing and supporting adequate gas exchange. However, mechanical ventilation can be injurious to lung tissues by mechanical stress through baro/volu- and atelectrauma and by oxidative stress through high fraction of oxygen in inspired air, collectively called ventilator induced lung injury (VILI). All mechanically ventilated patients are at risk for VILI, especially when it becomes challenging to ventilate the patient due to pathology in the lungs, as in acute respiratory distress syndrome (ARDS). MV can thereby cause, or augment substantially, damage of lung tissue in ARDS while being a necessary part of its treatment. The study of ARDS/VILI is hampered by risks in obtaining samples from patients for detailed studies but there is a need for reliable biomarkers. Using in vitro models to study ARDS/VILI has been promising but there has been a lack of a device capable of cyclically stressing air-liquid interfase (ALI) cultured lung cell layers mimicking effects of actual ventilator therapy.

The aim of this PhD project was to design and make a device capable of cyclically stressing ALI cultured lung cells, mimicking the effects of VILI. I also wanted to further explore the epithelial barrier enhancing and immunomodulatory effects of azithromycin (AZM) on lung cells. AZM is a commonly used broad spectrum antibiotic. Our laboratory has shown that AZM has barrier enhancing capabilities and it is recognized that AZM has disease-modifying effects not related to its antibacterial effects, leading to reduction in exacerbation of chronic airway diseases. Although inflammation is a necessary protective mechanism of the human body, excessive inflammatory responses can be detrimental. There is concern regarding the use of antibiotics as maintenance therapy of chronic airway diseases as there is a high correlation to antibiotic resistance.

In my work, I have designed and produced a cyclical pressure air-liquid interfase device (CPAD), capable of cyclically stressing lung cell layers, mimicking VILI conditions in vitro. I have shown that by mechanically stressing the cells in the CPAD there is a robust inflammatory response and a disruption in the barrier integrity of the cell layer. I have also shown that AZM treatment induces epidermal differentiation in lung epithelial cells. Further, an accumulation of multivesicular and lamellar bodies (MVBs and LBs respectively) was observed as a result of AZM treatment along with changes to intracellular lipid dynamics in cell models. Finally, the work presented in this thesis displays that pre-treatment of bronchial and alveolar cells cultured in ALI with AZM results in barrier protection when cells are mechanically stressed in the CPAD, evidenced by maintenance of actin structures of the cell layer, otherwise compromised in the untreated layers. AZM pre-treatment also results in attenuated inflammatory responses in mechanically stressed cell layers.

Collectively, my data presents a novel method for cyclically challenging lung cells in vitro and the robust effects of AZM in attenuating lung injury by way of barrier protection and a reduction of excessive inflammatory responses. This work highlights the need for further exploration of AZM and supports the notion of researching non-antibacterial derivatives of AZM.

Um doktorsefnið

Jón Pétur Jóelsson er fæddur í Reykjavík árið 1978. Hann lauk stúdentsprófi frá Fjölbrautaskólanum í Garðabæ árið 2000, sveinsprófi í rafvirkjun frá Fjölbrautaskólanum í Breiðholti árið 2006, BSc-gráðu í líftækni árið 2013 frá Háskólanum á Akureyri og MSc-gráðu í líftækni árið 2015 frá NTNU í Noregi. Jón Pétur hefur samhliða náminu starfað sem sérfræðingur hjá EpiEndo Pharmaceuticals og sinnt kennslu nemenda við Læknadeild Háskóla Íslands. Faðir Jóns Péturs er Jóel Fr. Jónsson og móðir var Þóra Ólafsdóttir. Jón Pétur á dæturnar Freyju, 10 ára, og Iðunni, 9 ára.