Canine idiopathic pulmonary fibrosis : The role of reflux aspiration and disease biomarkers

Abstract

Reflux aspiration is considered as a potential cause or disease aggravating factor for several respiratory diseases in humans including idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). Regarding dogs, this information is very limited. One method to detect reflux aspiration is to measure gastrointestinal components from airway samples. Canine idiopathic pulmonary fibrosis (CIPF) affects mainly West Highland white terriers (WHWTs) and shares many features with human IPF. Both CIPF and IPF are characterized by an accumulation of extracellular matrix (ECM) components, mainly collagen, in the lungs. Matrix metalloproteinases (MMPs) are endoproteinases capable of ECM remodeling and especially MMP-7 is considered as a potential disease biomarker for human IPF.

In the first part of this thesis, we evaluated the presence of bile acids in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) of dogs with various respiratory diseases. Bile acids were detected in all disease groups and bile acid concentrations were significantly higher in CIPF, healthy WHWTs, laryngeal dysfunction (LD), and chronic bronchitis (CB) groups compared to healthy Beagles.

In the second part of this thesis, we compared MMP-2, -7 and -9 activities in blood and BALF samples of CIPF WHWTs with healthy dogs and dogs with other lung diseases. Significantly higher serum pro-MMP-7 activities were observed in CIPF WHWTs compared to groups of CB, eosinophilic bronchopneumopathy (EBP) and healthy dogs of other breeds. Both pro-MMP-9 and pro-MMP-2 activities were significantly higher in BALF of CIPF WHWTs compared to healthy WHWTs. The CIPF WHWTs had significantly higher activities of pro-MMP-9 compared to dogs with CB and additionally higher pro-MMP-2 activities compared to dogs with CB and EBP. In the third part of this thesis, we evaluated the BALF proteomic profile in CIPF and healthy WHWTs. Several inflammatory and fibrotic proteins were elevated in CIPF WHWTs. Additonally, we studied the proteome of canine gastric juice and vomitus in order to find protein biomarkers for reflux aspiration. Two potential biomarker proteins were detected. The finding, that aspiration occured in both CIPF and healthy WHWTs may indicate the role of reflux aspiration in the etiopathogenesis of CIPF. Measurement of certain proteins such as MMPs may provide practical tool to improve diagnostic work up of CIPF.

Refluksin mikroaspiraatiolla (MA) tarkoitetaan pienten mahanestepisaroiden pääsyä hengitysteihin. Ihmisillä on havaittu MA:n olevan mahdollinen aiheuttaja tai oireita pahentava tekijä useissa hengitystiesairauksissa kuten keuhkofibroosissa (IPF). MA:n roolista koirien hengitystiesairauksissa on vain vähän tietoa. Yksi mahdollinen tapa tutkia MA:n esiintymistä on määrittää mahanesteen komponentteja hengitystienäytteistä. Myös koirilla esiintyy IPF:a, varsinkin valkoisilla länsiylämaanterriereillä (Westie) ja siinä on samankaltaisuuksia ihmisen sairauden kanssa. Useita sairauksia kuvaavia biologisia merkkiaineita, biomarkkereita, on tutkittu sekä ihmisten että koirien IPF:ssa. Tällaisia ovat esim. matriksin metalloproteinaasit (MMP), solunulkoista ainetta pilkkovat entsyymit, joista osalla on havaittu olevan rooli useiden ihmisten hengitystiesairauksien kehittymisessä.

Ensimmäisessä osatyössä selvitettiin MA:n esiintymistä koirien hengitystiesairauksissa määrittämällä sappihappoja keuhkohuuhdenäytteistä. MA:ta esiintyi kaikissa tutkituissa koirien hengitystiesairauksissa, varsinkin IPF:a sairastavilla Westieillä. Terveillä koirilla MA:ta esiintyi vain IPF:lle altteilla Westieillä.

Toisessa osatyössä tutkittiin veren ja keuhkohuuhdenäytteiden MMP-2, -7 ja -9 aktiivisuuksia samoissa hengitystiesairauksissa kuin ensimmäisessä osatyössä, keskittyen erityisesti IPF:a sairastaviin Westieihin. Havaitsimme, että nämä MMP:t ovat potentiaalisia sairautta kuvaavia biomarkkereita koirien IPF:ssa. Kolmannessa osatyössä tutkittiin keuhkohuuhdenäytteiden proteiinikoostumusta sekä IPF:a sairastavilla että terveillä Westieillä mahdollisten sairautta kuvaavien biomarkkereiden selvittämiseksi. Havaitsimme eroja näiden kahden ryhmän näytteiden proteiinikoostumuksessa. Tämän lisäksi tutkimme koiran mahanesteen ja oksennuksen proteiinikoostumusta ja löysimme kaksi potentiaalista MA:n biomarkkeriproteiinia.

Tämän väitöskirjan tulokset antavat uutta tietoa refluksin aiheuttaman MA:n esiintymisestä koirien hengitystiesairauksissa. MA:n esiintyminen sekä terveillä että IPF:a sairastavilla Westieillä viittaa siihen, että sillä on rooli IPF:n kehittymisessä. Proteomiikka eli proteiinien määritys tarjoaa potentiaalisen tavan selvittää mahdollisia IPF:n biomarkkereita. Tällaisia ovat esimerkiksi MMP:t, joita voitaisiin käyttää osana koirien IPF:n diagnostiikkaa.