Analisi dell'immuno-trascrittoma di cavallo nelle patologie IAD e RAO

The research project has been developed on the equine inflammatory respiratory diseases, which can be divided in Recurrent Airway Obstruction (RAO) and Inflammatory Airway Disease (IAD). The aim of this study was to investigate immune-related genes expression in the respiratory tract of IAD and RAO-affected horses. Clinical examination and endoscopy were performed. On the Broncho-Alveolar Lavage (BAL) fluid, obtained during endoscopy, cytological and microbiological analysis were performed to evaluate correlations between the gene expressions values and the clinical parameters. A first analysis was developed by real time RT-PCR comparing the gene expression profile of 10 immune-related target genes (IL-1ß, IL-6, IL-8, IL-13, IL-17, TNFa, INF?, TGF-ß1, NF?-ß and TRL 4) in the BAL of healthy horses and RAO-affected ones, on which sampling was performed twice within 15 days. The aim was to deepen the effects of the respiratory disease on the equine immune system and to assess a potential temporal evolution of the gene expression values and of the other parameters considered. In addition, biopsies of the bronchial tissue were obtained and subsequent, histological evaluation and gene expression analyses were performed. Six of the target genes showed a significant expression values increase in the RAO group compared to the control one. A positive statistical correlation between the amount of mucus in the airways and the expression of some genes investigated was found. Regarding inflammatory mediators expression in the biopsy tissue, neither of target genes was significantly differentially expressed between the RAO horses and the control group. The second part of the research project included also the study of IAD. On all horses, clinical investigations and assessments of gene expression profiles were carried out twice within 15 days, at the diagnosis moment and at the end of the pharmacological treatment. Considering the results of the first study, no biopsies of the respiratory tissue were performed. The development of a microarray platform specific for equine immune-related genes, provide a global view of the pathways involved in the IAD and RAO inflammatory response. The statistical analyses showed that 379 transcripts (55 up-regulated and 324 down-regulated) were significantly differentially expressed between the IAD group and control horses and 1763 genes (903 up-regulated and 860 down-regulated) between the RAO-affected horses and the healthy animals. Between IAD-affected horses and RAO animals, were showed significant differences of the respiratory rate at rest and of the amount of mucus in the airways. Some transcripts involved in the genesis, length and motility of the respiratory epithelium cilia, were down-regulated both in IAD and in RAO horses. In the IAD population, has been demonstrated the over-expression of genes coding for inflammatory mediators. Some of the transcripts up-regulated in the RAO group, are involved in the inflammatory response, bronchoconstriction, apoptosis and hypoxia pathway. In the same disease, some genes involved in the genesis of the protective muco-protein film of the respiratory epithelium were under-expressed. The analyses carried out by the software Gene Sets Enrichment Analysis (GSEA) showed that the pathway activated during human asthma, is also enriched in equine RAO, albeit marginally significant (False Discovery Rate <25%, p value 0.08 ). The low quality of the RNA extracted from the BAL of some samples, did not allow to reach a significant number of horses, considered before and after the pharmacological treatment, to assess the effect of the therapy on gene expression profiles. In conclusion, the present studies provided information about the immunological mechanisms activated during the most important equine respiratory diseases. In the future, the information obtained could lead to the development of new therapies for IAD and RAO, by the inhibition of molecules involved in the pathogenesis of these diseases, as is already done in human medicine. The involvement of the same pathway in human asthma and equine RAO, could suggest a possible role of horses as animal model for the study of human chronic respiratory diseases.

Il lavoro di ricerca svolto nell’arco dei tre anni di dottorato, è stato articolato in due progetti sviluppati nell’ambito delle malattie respiratorie su base infiammatoria che colpiscono gli equini. Tali patologie possono essere distinte in due grandi gruppi: Recurrent Airway Obstruction (RAO) ed Inflammatory Airway Disease (IAD). Lo scopo dei progetti di ricerca si è basato sull’indagine dei profili di espressione di geni immuno-correlati nell’albero respiratorio di cavalli affetti da IAD e RAO, in relazione ad un gruppo di controllo. Su tutti i soggetti, sono stati eseguiti gli esami clinici mirati alla valutazione dell’apparato respiratorio, l’esame endoscopico e l’esame citologico e microbiologico da Broncho-Alveolar Lavage (BAL), per valutare le potenziali correlazioni esistenti tra i profili di espressione genica ed i parametri clinici. Il primo progetto è stato sviluppato comparando cavalli sani con soggetti affetti da RAO, su cui i campionamenti sono stati ripetuti due volte nell’arco di 15 giorni, al fine valutare una potenziale evoluzione temporale dell’espressione genica e degli altri parametri considerati nella ricerca. Inoltre, sono state eseguite biopsie del tessuto bronchiale, sottoposto sia a valutazione istologica che ad analisi di espressione genica. Mediante real time RT-PCR, sono stati indagati i profili di espressione di 10 geni target immuno-correlati (IL-1ß, IL-6, IL-8, IL-13, IL-17, TNFa, INF?, TGF-ß1, NF?-ß e TRL 4), sei dei quali hanno dimostrato una aumento statisticamente significativo dei livelli di espressione nel gruppo RAO rispetto al gruppo di controllo. Le analisi statistiche condotte, hanno riscontrato una correlazione positiva tra la quantità di muco nelle vie aeree e l’ espressione di alcuni dei geni indagati. Non sono state evidenziate differenze di espressione, dei geni inclusi nello studio, tra i tessuti bioptici prelevati dai soggetti affetti da RAO e quelli ottenuti dal gruppo di controllo. Il secondo progetto di ricerca, è stato sviluppato ampliando la casistica dei cavalli affetti da RAO ed introducendo lo studio della IAD. Su tutti i soggetti, le indagini cliniche e le valutazioni dei profili di espressione genica sono state condotte sia al momento della diagnosi che al termine del trattamento farmacologico della durata di 15 giorni. Valutati i risultati del primo lavoro, non sono state eseguite biopsie del tessuto respiratorio. Lo sviluppo di una piattaforma microarray specifica per i geni immuno-correlati di cavallo ha permesso di ottenere una visione globale dei pathway coinvolti nella risposta infiammatoria delle due patologie. Le analisi statistiche effettuate hanno evidenziato una differenza di espressione significativa per 379 trascritti (di cui 55 sovra-espressi e 324 sotto-espressi) tra il gruppo IAD ed il gruppo di controllo e per 1763 geni (di cui 903 sovra-espressi e 860 sotto-espressi) tra i pazienti affetti da RAO ed i soggetti sani. Da un punto di vista clinico, sono state riscontrate differenze statisticamente significative sia della frequenza respiratoria a riposo che della quantità di muco presente nelle vie aeree dei cavalli affetti da IAD rispetto ai soggetti RAO. Tra i geni sotto-espressi nei due gruppi di cavalli affetti da malattia respiratoria, hanno acquistato importanza alcuni trascritti coinvolti nella genesi, lunghezza e motilità dell’apparato ciliare dell’epitelio respiratorio. Nella popolazione IAD, è stata dimostrata la sovra-espressione di geni codificanti per mediatori coinvolti nella risposta infiammatoria. I geni sovra-espressi nel gruppo RAO, caratterizzati da maggior rilievo, sono coinvolti nella risposta infiammatoria, nella broncocostrizione, nella via apoptotica e nel pathway dell’ipossia. Nella medesima patologia, si sono mostrati sotto-espressi anche alcuni geni coinvolti nella genesi del film muco-proteico di protezione dell’epitelio respiratorio. Lo studio condotto mediante Gene Set Enrichment Analysis (GSEA), ha evidenziato che il pathway attivato in corso di asma umano, viene arricchito anche nella patologia RAO equina, sebbene la significatività statistica sia marginale (False Discovery Rate < 25%, p value 0,08). Non è stato possibile valutare l’effetto della terapia farmacologica sui profili di espressione genica, poiché la bassa qualità dell’RNA estratto dal BAL di alcuni campioni non ha permesso di raggiungere un numero significativo di soggetti valutati prima e dopo il trattamento terapeutico. Gli studi effettuati hanno quindi permesso di far luce su alcuni dei meccanismi immunologici che stanno alla base delle patologie respiratorie equine di maggiore importanza veterinaria ed economica. In futuro, le informazioni ottenute, potrebbero condurre allo sviluppo di nuovi mezzi terapeutici per l’inibizione delle molecole coinvolte nello sviluppo di IAD e RAO, come già avviene in medicina umana. Infine, il coinvolgimento di un medesimo pathway nell’asma umano e nella RAO equina, potrebbe condurre all’utilizzo di tale specie come modello animale per lo studio delle patologie respiratorie croniche umane.