Onderzoekers ontdekken oorzaak van astmatische longkrampen
Door een microapparaat te maken dat de longfunctie op het niveau van één cel nabootst, hebben onderzoekers van Rutgers, Yale en Johns Hopkins meer te weten gekomen over de reactie van astmatische triggers, wat tot een betere behandeling kan leiden
Onderzoekers van Rutgers en andere instellingen hebben ontdekt hoe spiersamentrekkingen (bronchospasme) in de luchtwegen, die ademhalingsmoeilijkheden veroorzaken bij mensen met astma, ontstaan door een microapparaat te maken dat het gedrag van de menselijke luchtwegen nabootst.
De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Biomedical Engineering, zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingsstrategieën voor aandoeningen van de luchtwegen, zei co-auteur Reynold Panettieri, directeur van het Rutgers Institute for Translational Medicine and Science.
Bronchospasme kan optreden bij zowel gezonde mensen als bij mensen die lijden aan ernstige aandoeningen van de luchtwegen, zoals astma of chronisch obstructieve longziekte (COPD). Bestuderen waarom de gladde spieren rond bronchiale luchtwegen plotseling kunnen samentrekken en tot ademhalingsmoeilijkheden kunnen leiden, is moeilijk vanwege de complexiteit van bronchospasme en het feit dat het menselijke ademhalingsstelsel niet in dierstudies kan worden gemodelleerd.
Om de biochemische en mechanische signalen te analyseren die zich voordoen tussen cellen tijdens spasmen, creëerden de onderzoekers een microdevice – een “bronchiën op een chip” ter grootte van een duizendste van een menselijke haar – met cellen van gezonde en astmatische longen die de functie van een long nabootst op eencellig niveau.
Toen zij op het apparaat een gesimuleerd bronchospasme teweegbrachten, ontdekten de onderzoekers dat de aanvankelijke samentrekking de afscheiding van hormoonachtige verbindingen op gang brengt die ofwel een bijkomende vernauwing kunnen teweegbrengen, ofwel het spasme kunnen ontspannen. Bij mensen met astma is de gladde spier rond de luchtwegen meer reactief en trekt gemakkelijker samen als reactie op stimuli zoals allergenen, wat leidt tot uitgebreide bronchiale spasmen, piepende ademhaling en kortademigheid.
Ze ontdekten ook dat het induceren van een tweede astmatische trigger tijdens een bronchiale spasme op een precies tijdstip er daadwerkelijk toe leidt dat de gladde spier zich ontspant en de spasme stopt.
De behandelingen voor bronchospam zijn in de afgelopen 50 jaar niet veranderd, zei Panettieri, omdat ze werken voor de meeste – maar niet alle – mensen. “Het microapparaat stelde ons in staat om in te zoomen op hoe afzonderlijke cellen met elkaar interageren in relatie tot gladde spiercontractie in een verscheidenheid van longziekten,” zei Panettieri. “In staat zijn om de mechanica op het niveau van een enkele cel te bestuderen en duizenden cellen tegelijk te bekijken, kan een belangrijk screeningsinstrument zijn voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen voor mensen met astma die niet reageren op de huidige behandeling.”
De studie werd geleid door Steven An, directeur van Bioengineering aan het Rutgers Institute for Translational Medicine and Science en hoogleraar farmacologie aan de Rutgers Robert Wood Johnson Medical School, en onderzoekers aan het Yale Systems Biology Institute van de Yale University en de Johns Hopkins University.