title: Identification of novel biomarkers for severe allergic asthma
Creators: name: Bosnjak, Berislav
Publisher: name: :none
Year: 2015

description: Asthma ist eine chronisch entzündliche Erkrankung der Lunge charakterisiert durch wiederkehrende Episoden pfeifender, schwerfälliger Atmung, von der weltweit etwa 300 Millionen Menschen betroffen sind und tödlich enden kann. Allergisches Asthma kann durch gängige Therapien, vor allem mit inhalativen Kortikosteroiden und ß2-Agonisten, bei den meisten Patienten effizient behandelt werden. Allerdings ist die Entwicklung neuer Therapien für 5-10% der Patienten dringend erforderlich, da diese an sehr schweren Asthma-Formen leiden, welche nicht einmal auf hohe Dosen oral verabreichter Kortikosteroide ansprechen. Außerdem ist es notwendig das Nebenwirkungsprofil erhältlicher Medikamente zu verbessern, da diese nicht zur Heilung führen, sondern lediglich die Symptome lindern und ein Leben lang eingenommen werden müssen. Zur Erforschung neuer Therapieansätze ist die Identifizierung und Entwicklung neuartiger Asthma-Biomarker essentiell. Zudem sind klinisch relevante Biomarker notwendig, um die Heterogenität des Asthmas zu verstehen, da es sich in Entstehung, Stärke, Verlauf, Komorbiditäten und im Ansprechen auf Therapien je nach PatientIn unterscheidet. Die Entwicklung von Biomarkern für bestimmte Asthma-Subtypen könnte letztendlich zur Etablierung personalisierter Asthma Medikamente führen. Das Ziel dieser Arbeit war es, genomische Biomarker zu finden, neue Bildge-bungstechniken zu entwickeln und neue Therapien für allergisches Asthma zu etablieren. Dafür verwendeten wir 3 neue Ansätze, um (i) ein umfassendes Genexpressions-Profil in Mäusen mit allergischem Asthma zu erstellen; (ii) entzündliches Geschehen in einem experimentellen Maus-Modell für allergisches Asthma zu visualisieren; und um (iii) allergische Asthma-Rückfälle der Mäuse mit dem selektiven Muskarinrezeptor-Antagonisten Tiotropiumbromid zu behandeln. Zur Erstellung eines umfassenden Genexpressions-Profils in Mäusen mit allergischem Asthma, analysierten wir 6 öffentlich zugängliche Expressions-Datensätze mit einer neuartigen und innovativen Gen- und Signalweg-orientierten Bioinformatik-Strategie. Wir erstellten und validierten eine Signatur-Gen Liste für akutes Asthma in Mäusen, bestehend aus Genen, welche dem Asthma zugeordnet sind und Genen, die bisher nicht mit Asthma in Zusammenhang gebracht wurden und als akutes, allergisches „Asthma Ignoro-me“ bezeichnet werden. Funktionelle und Netzwerkkonnektivitäts-Analysen zeigten, dass sich bekannte Asthma Gene und „Asthma Ignorome“ Gene in 4 biologisch relevante Domänen gruppieren lassen. Des Weiteren entdeckten wir 12 Super-Konnektor Gene des Asthmas, welche komplexe pathophysiologische Mechanismen verbinden, die mit Glukokortikoid-Behandlung normalisiert werden können. Unsere leistungsstarken bioinformatischen Analysen priorisierten Asthma bezogene und „Asthma Ignorome“ Gene in den Clustern und biologischen Domänen, um wichtige Einblicke in die Asthma-Pathophysiologie zu erlangen. In der ersten Publikation entwickelten wir eine neuartige Bildgebungstechnik, um pulmonale Entzündungen zu detektieren. Dendritische Polyglycerolsulfate binden selektiv P- und L-Selektine und die Komplementfaktoren C3 und C5, welche an Entzündungsstellen hochreguliert sind. Durch Fluoreszenzbildgebung entdeckten wir spezifische Akkumulationen von infrarotnah-fluoreszenz markierten dendritischen Polyglycerolsulfaten (dPGS-NIRF) in den Lungen von Mäusen mit allergischem Asthma. Des Weiteren zeigten unsere Resultate, dass dPGS-NIRF eine schnellere Absorption aufwiesen als andere kommerziell erhältliche Bildgebungs-Sonden. Zusammenfassend konnten wir demonstrieren, dass dPGS-NIRF eine potente Sonde für die in vivo Darstellung von Entzündungen ist. In der zweiten Publikation untersuchten wir die Wirksamkeit des selektiven, langwirksamen Muskarinrezeptor-Antagonisten Tiotropiumbromid im akuten und rezidivierenden Maus-Modell für allergische Asthma. Tiotropiumbromid wird zur Behandlung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung eingesetzt, aber üblicherweise nicht in der Asthmatherapie verwendet, obwohl dessen Wirkmechanismus gute Wirksamkeit vermuten lassen. Unsere Resultate zeigen, dass Tiotropiumbromid bei experimentellem allergischem Asthma die Entzündung, Hyperreaktivität und Schleimüberproduktion der Atemwege effizient unterdrücken konnte. Diese Daten demonstrierten die entzündungs-hemmenden Eigenschaften von Tiotropiumbromid und bekräftigen dessen Einsatz in der Asthmatherapie. Zusammenfassend zeigen die Resultate dieser Arbeit detaillierte Genexpressions-Profile in akut allergischem Asthma, beschreiben eine neuartige Bildgebungstechnologie zur Visualisierung von allergischen Entzündungen der Lunge und erweitern das Arsenal an anti-asthmatischen Arzneistoffen. Die Genexpressionsdaten liefern zahlreiche neuartige Biomarker und Therapieansätze, während unsere Bildgebungstechnik in Kombination mit dem rezidivierenden Asthma-Modell einen eleganten Versuchsrahmen, bietet diese Biomarker zu testen.
description: Asthma is a chronic inflammatory pulmonary disease characterized by recurrent episodes of wheezy, laboured breathing that affects approximately 300 million people worldwide and can be fatal. Current therapies (especially inhaled corticosteroids and ß2-agonists) efficiently control allergic asthma in most of the patients. Development of novel therapies is crucial, however, for disease control in 5-10% of patients with very severe forms of disease that cannot be controlled even with high doses of oral steroids. Additionally, there is still need to improve side effect profile of currently available drugs, especially as they do not cure the disease and have to be continuously administered for a lifetime of a patient. To guide research of new treatments for asthma, it is crucial to identify and develop novel biomarkers of the disease. Moreover, clinically relevant biomarkers are crucial for understanding of asthma heterogeneity, as the disease differs in severity, natural history, comorbidities, and treatment response between patients. Development of biomarkers for distinct asthma subtypes could ultimately guide research towards development of personalized asthma medications. The main aim of this work was to detect genomic biomarkers, to develop novel optical imaging techniques and to establish novel treatment modalities for allergic asthma. Therefore, we used 3 novel approaches to (i) provide comprehensive gene expression profile in mice with acute allergic asthma; (ii) visualize allergic inflammation in an experimental mouse model of allergic asthma; and (iii) to treat allergic asthma relapse in mice with a selective muscarinic receptor antagonist drug tiotropium bromide. To provide a comprehensive gene expression profile in mice with acute allergic asthma, in the manuscript we analyzed 6 publically available expression datasets using a novel and innovative gene- and pathway-driven bioinformatics strategy. We generated and validated an acute asthma signature gene list consisting of asthma-annotated genes as well as of asthma-unrelated genes that constitute an “acute allergic asthma ignorome” in mice. Further, functional and network connectivity analyses indicated that asthma-annotated and -ignorome genes cluster into 4 biologically relevant domains. Finally, within our network we discovered 12 super-connectors genes that link the complex pathophysiological mechanisms underlying asthma and are normalized upon treatment with glucocorticosteroids. Thus, our powerful bioinformatic analyses prioritized asthma-related and -ignorome genes within the clusters and biological domains to provide important insights in asthma pathophysiology. In publication 1, we developed a novel imaging approach for detection of pulmonary inflammation. Dendritic polyglycerol sulfates selectively bind P- and L-selectins and C3 and C5 complement factors that are upregulated at the site of inflammation. Using fluorescence imaging, we detected specific accumulation of near infrared fluorescence dye labeled dendritic polyglycerol sulfates (dPGS-NIRF) in the lungs of mice with acute allergic asthma. Further, our results show that dPGS-NIRF had a faster uptake compared to other commercially available imaging probes. Altogether, these results suggest that dPGS-NIRF is a potent probe for in vivo monitoring of pulmonary inflammation. Finally, in publication 2, we tested efficacy of selective long-acting muscarinic receptor antagonist tiotropium bromide in acute onset and relapsing mouse models of allergic asthma. Tiotropium bromide is important for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease. However, it is not commonly used to treat asthma, even though the mode of action suggests that they may also be effective. Our results demonstrate that tiotropium efficiently suppressed airway hyperreactivity, mucus hypersecretion and airway inflammation in experimental allergic asthma. These data highlighted the anti-inflammatory properties of tiotropium and support its use for the treatment of asthma. Altogether, the results presented in this thesis provide detailed gene expression profiling in acute allergic asthma, describe a novel imaging technology for visualization of allergic lung inflammation and expand armamentarium of anti-asthmatic drugs. While the gene expression data provide multiple novel biomarker and treatment targets, a combination of our imaging approach with the asthma relapse model would provide an elegant experimental setting for their testing.