Respiratory Research, 2006; 7(1): 73-73 (más artículos en esta revista)

Señalización de los receptores muscarínicos en la fisiopatología del asma y la EPOC

BioMed Central
Reinoud Gosens (rgosens@mich.ca) [1], Johan Zaagsma (j.zaagsma @ rug.nl) [1], Herman Meurs (h.meurs @ rug.nl) [1], Andrew J Halayko (ahalayk @ cc . Umanitoba.ca) [2]
[1] Departamento de Farmacología Molecular de la Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos
[2] Departamentos de Fisiología y Medicina Interna de la Universidad de Manitoba, Winnipeg, MB, Canadá
[3] Grupo de Biología de la respiración, Manitoba Instituto de Salud Infantil, Winnipeg, MB, Canadá

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Resumen

Estos fármacos se utilizan ampliamente para el tratamiento de la EPOC, y en menor medida para el asma. Principalmente utilizados como broncodilatadores, que invertir la acción de la acetilcolina sobre vagally derivados músculo liso bronquial contracción. Recientes estudios sugieren que la novela los efectos de los anticolinérgicos que se extienden más allá de la inducción de broncodilatación, como la novela fármaco anticolinérgico bromuro de tiotropio puede inhibir eficazmente disminución acelerada de la función pulmonar en pacientes con EPOC. Tono vagal es el aumento de la inflamación en las vías respiratorias asociadas con el asma y la EPOC, lo que resulta de la acetilcolina liberación exagerada y una mayor expresión de los componentes de señalización en el músculo liso bronquial. Vagally derivados acetilcolina también regula la producción de moco en las vías respiratorias. Una serie de recientes trabajos de investigación indican también que la acetilcolina, actuando a través de receptores muscarínicos, puede, en parte, regular los cambios patológicos asociados con la remodelación de la vía aérea. Señalización de los receptores muscarínicos regula el engrosamiento del músculo liso de las vías respiratorias y la diferenciación, tanto in vitro como in vivo. Además, la síntesis de la acetilcolina y de sus enzimas, de colina acetil transferasa (ChAT), se expresó doquier a lo largo de las vías respiratorias. Muy en particular las células epiteliales y células inflamatorias generar la acetilcolina, y expresar funcional de los receptores muscarínicos. Curiosamente, los trabajos recientes indica la expresión y función de los receptores muscarínicos en el aumento de neutrófilos es en la EPOC. Teniendo en cuenta el amplio potencial endógeno papel de la acetilcolina en la biología de las vías respiratorias, esta revisión se resumen establecidos y nuevos aspectos de la señalización de los receptores muscarínicos en relación con la fisiopatología y el tratamiento del asma y la EPOC.

Introducción

La acetilcolina es el principal neurotransmisor parasimpático en las vías respiratorias, y se asocia tradicionalmente con la inducción de la contracción del músculo liso de las vías respiratorias y la secreción de moco. Es el aumento de la actividad parasimpática en inflamación de las vías respiratorias, que es la base para el uso de anticolinérgicos en el tratamiento del asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) [1]. Los anticolinérgicos constituyen un broncodilatador de particular importancia para la EPOC, ya que el tono vagal parece ser el único componente reversible de la limitación del flujo aéreo en esta condición [1]. Recientes pruebas indican que la producción de acetilcolina en las vías respiratorias no se limita al sistema nervioso parasimpático: la acetilcolina también es liberado de origen no neuronal, como el epitelio bronquial y células inflamatorias [2]. Además, la acumulación de evidencias sugiere la acetilcolina (ya sea o no neuronal neuronal) puede desempeñar un papel esencial en la regulación de los mecanismos que impulsan los cambios estructurales en las vías respiratorias, llamado remodelación de la vía aérea, que están asociados con la inflamación crónica de la vía aérea [3, 4]. Estos últimos hallazgos indican que la acetilcolina, que actúa en los receptores muscarínicos, puede contribuir a la fisiopatología y patogenia del asma y la EPOC en mucha mayor medida que se aprecia actualmente. Este concepto queda subrayada por las conclusiones que presentó recientemente la acción prolongada agente anticolinérgico, el bromuro de tiotropio [5], inhibe notablemente acelerado de la función pulmonar en pacientes con EPOC disminución [6]. En este artículo se estableció la revisión y nuevos mecanismos de señalización de los receptores muscarínicos en la fisiología de las vías respiratorias, y discutir su participación en la fisiopatología del asma y la EPOC. Aunque los receptores colinérgicos nicotínicos están presentes a lo largo de las vías respiratorias (ver [7] para su revisión), su función no se debatirán en vista de la especificidad del receptor muscarínico de la actual clínicamente utilizado anticolinérgicos.

Regulación de los receptores muscarínicos del músculo liso de las vías respiratorias tono

Músculo liso bronquial expresa abundante muscarínicos M 2 y M 3 receptores, aproximadamente en un ratio de 4:1 [8]. A pesar de sus más bajos niveles de expresión, el G q junto receptores muscarínicos M 3 es el principal responsable de subtipo bronquial y la contracción del músculo liso traqueal, lo que se desprende de las afinidades funcionales de una variedad de antagonistas selectivos de los subtipos en los tejidos de las vías respiratorias diversas especies, incluidos los humanos [8 - 11] (Tabla 1]. Además, los receptores muscarínicos M 3 -, pero no los receptores de H-2 knockout mice falta tanto methacholine y vagally broncoconstricción inducida in vivo [12]. Sin embargo, algunos estudios farmacológicos han sugerido un pequeño papel para G i - junto receptores M 2 de mediación en la contracción del músculo liso de las vías respiratorias en la vías aéreas periféricas [13, 14]. Los receptores muscarínicos regulación de las vías respiratorias buen tono muscular es mayor en el asma y la EPOC por dos mecanismos principales: en primer lugar, el aumento de expresión y la mejora de la función de señalización de las moléculas esenciales para los receptores muscarínicos mediada por la contracción del músculo liso de las vías respiratorias, y en segundo lugar, exagerada liberación de la acetilcolina, debido a neuronal neuronal Mecanismos asociados con la inflamación.

Señalización intracelular en el músculo liso bronquial

Los receptores muscarínicos inducir la contracción del músculo liso de las vías respiratorias a través de una serie de mecanismos de señalización intracelular, la mayoría de estos están bien descritas y se han revisado extensamente [4, 15, 16]. Estos incluyen una serie de cascadas recientemente identificados, que son de interés específico para inflamación de las vías aéreas en el asma y la EPOC (Figura 1]. Varios investigadores han postulado que el aumento de Ca 2 + señalización de base a la génesis de las enfermedades de las vías respiratorias obstructivas que se asocian con hiperreactividad de vía aérea [17, 18]. En parte, esto se basa en observaciones de los modelos animales, por ejemplo músculo liso bronquial células obtenidas de ratas Fisher hyperresponsive muestran elevados de Ca 2 + respuestas cuando se compara con los menos receptivos ratas Lewis [19]. Varios estudios han demostrado también que los aislados músculo liso bronquial preparativos de asma y la EPOC los pacientes responden con una mayor fuerza máxima generación contráctil a la estimulación in vitro [20 - 24]. Así, las anomalías intrínsecas que contribuyen a la hiperreactividad colinérgica pueden existir por lo menos en una proporción de asmáticos y pacientes con EPOC.

A pesar de que la expresión alterada de la postjunctional los receptores muscarínicos M 3 en células de músculo liso bronquial no es una característica de hiperreactividad de la vía aérea methacholine inhalados, los cambios en la señalización de estos receptores pueden ser un factor contribuyente [16]. Además de la activación de fosfolipasa C β1 (PLC), que conduce a inositol 1,4,5-trisphosphate (IP 3) la producción necesaria para desencadenar la liberación de Ca 2 + intracelular de las tiendas, los receptores muscarínicos también regulan vías de señalización de CD38, ADP ribosa cíclica ( CADPR) y del receptor de ryanodina canales que pueden desempeñar un papel importante en el músculo liso bronquial homeostasis del Ca 2 + [25] (Figura 1]. El itinerario CD38/cADPR contribuye de manera significativa a los receptores muscarínicos mediado cambios en la compliance pulmonar y la resistencia, como se pone de manifiesto en ratones knockout CD38 [26]. Los estudios iniciales indican que esta vía puede ser selectivamente activados por los receptores muscarínicos M 2 [27], aunque otros estudios sugieren que muscarínicos M 3, en lugar de los receptores M 2 están acoplados a cADPR producción [28]. Varias citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo IL-1 β [29], IL-13 [30], TNF-α [31] y de IFN-γ [32] pueden aumentar la expresión CD38, ADP-ribosyl ciclasa actividad, y Ca 2 + respuestas A los agonistas colinérgicos en el músculo liso bronquial. TNF-α e IL-1 β también aumentar G i G q alfa y la expresión de la proteína en el músculo liso bronquial, lo que podría representar el aumento de Ca 2 + respuestas y contracción [33, 34]. Además, el tratamiento de músculo liso bronquial con tiras de IL-13 o TNF-α por períodos prolongados, produce hiperreactividad a los agonistas colinérgicos [35, 36].

Contracción del músculo liso bronquial se rige por Ca 2 + dependiente de Ca 2 + y mecanismos independientes. Ca 2 + mecanismos independientes se caracterizan por la contracción aumentada en un fijo concentración de Ca 2 +, este fenómeno se conoce como Ca 2 + sensibilización [37]. Reglamento de Ca 2 + sensibilidad por los agonistas colinérgicos es un paso importante en la contracción del músculo liso de las vías respiratorias (Figura 1]. El RhoA / Rho-kinasa en cascada, una de las principales vía de regulación de Ca 2 + sensibilidad en el músculo liso de las vías respiratorias, puede ser activado por tanto muscarínicos M 2 y los receptores muscarínicos M 3 [38, 39]. RhoA y Rho-kinasa aumentar agonista de la contracción inducida principalmente por inactivación de la miosina de cadena ligera fosfatasa (MLCP), aunque los efectos directos sobre la miosina de cadena ligera de fosforilación y en la dinámica del citoesqueleto de actina también han sido descritas [40]. MLCP es inhibida por la fosforilación directa de la miosina su reglamentación vinculante subunidad por Rho quinasa. MLCP también es inhibida por phosphoprotein vinculante a la CPI-17, que está destinada a la fosforilación por tanto Rho quinasa y PKC (ver [37] para el examen detallado sobre el papel de Rho-kinasa hiperreactividad de las vías respiratorias). La lucha contra la spasmogenic efectos de la inhibición de Rho-cinasa son claramente más pequeñas que sus efectos relajantes sobre un pre-establecido colinérgica contracción, lo que indica que la RhoA / Rho-kinasa vía es especialmente importante en el mantenimiento de una sostenida contracción de los agonistas colinérgicos [41 - 43] .

En modelos experimentales de la enfermedad inflamatoria de vía aérea, ligado al receptor muscarínico vías de señalización que regulan el Ca 2 + sensibilidad de las células del músculo liso de vía aérea parece ser mayor. Ambos RhoA y expresión IPC-17 se incrementan en ratas expuestas a alérgenos repetido desafío [44, 45]. Por otra parte, que la sensibilización por sí mismo, sin exposición al alergeno posterior, parece ser suficiente para inducir un aumento del RhoA expresión [46]. Citoquinas, incluyendo el TNF α, han sido identificados como contribuyentes a una mayor abundancia RhoA [47]. De acuerdo con estas observaciones, inducida por agonistas colinérgicos RhoA translocación a la membrana, RhoA mediada por Ca 2 + de sensibilización, y se incrementan en la contracción del músculo liso bronquial de las ratas y ratones expuestos a repetidos alergeno desafío [45, 48, 49]. Recientes observaciones indican que el mismo es cierto en el caso de las vías respiratorias inducida por el humo del cigarrillo hiperreactividad bronquial en el músculo liso de ratas [50], que podría ser de gran importancia a la fisiopatología de la EPOC. Efectos de lipopolisacárido (LPS) colinérgica en la reactividad del músculo liso de las vías respiratorias también se han descrito [51], pero todavía no se ha establecido con exactitud qué mecanismos mediar este cambio.

Mecanismos neuronales

Además de los mecanismos que implican postjunctional receptor muscarínico señalización de las vías respiratorias en las células del músculo liso, los mecanismos neuronales son importantes, y que también parecen ser afectados en la enfermedad inflamatoria vías respiratorias (Figura 2]. Neuronal acetilcolina es sintetizada por la enzima colina acetil transferasa (ChAT), almacenada en vesículas, y puesto en libertad a una despolarización de membrana. Una vez liberados, los efectos funcionales de la acetilcolina finalizados principalmente por la acetilcolinesterasa (AChE) en la hendidura sináptica. AChE actividad disminuye en el músculo liso traqueal homogeneizado polen de ambrosía sensibilizado perros [52], lo que representa un mecanismo para aumentar y prolongar la acción de la acetilcolina sobre postjunctional células objetivo, como las células de músculo liso bronquial, en las enfermedades de las vías respiratorias alérgicas. Además, mediadores de la inflamación puede aumentar la liberación de acetilcolina desde las terminaciones nerviosas vagales, un efecto mediado a través de receptores prejunctional facilitatory. Los ejemplos incluyen tachykinins, prostaglandinas y tromboxanos A 2 [53]. Además, la autoinhibitory prejunctional los receptores muscarínicos M 2, que limita la acetilcolina en libertad en condiciones normales (Figura 2], es disfuncional en varios modelos experimentales de la enfermedad de las vías respiratorias incluyendo alergeno exposición, infección viral, y la exposición de ozono [54, 55]. M 2 autorreceptores También se ha informado de que se disfuncionales en algunos, pero no todos los asmáticos [56, 57]. Además, los asmáticos con infecciones virales activas muestran una mayor respuesta a broncodilatadores inhalados anticolinérgicos, sugiriendo un incremento en el tono vagal [58]. Sin embargo, en los pacientes con EPOC estable la M 2 autoreceptor parece funcionar normalmente [59]. Distintos mecanismos subyacentes a la disfunción M 2 autoreceptor. En cobayas, el ozono y la inducida por alergenos disfunción M 2 está mediada por eosinófilos que se contrata para las vías respiratorias nervios, y secretan la proteína básica mayor, que actúa como un allosteric muscarínicos M 2 antagonista de los receptores [55]. Infecciones virales, que pueden desempeñar un papel tanto en el asma y la EPOC, M 2 inducir disfunción a través de neuraminidasas que cleave porciones de los receptores H 2, y aún incompleta a través de mecanismos de participación caracterizado macrófagos, linfocitos CD8 +, y posiblemente IFN-γ [60 ].

La neurotransmisión colinérgica en los ganglios parasimpáticos está regulado por receptores nicotínicos en conjunto con los receptores muscarínicos M 1, mientras que ganglionares liberación de la acetilcolina de los nervios preganglionic está bajo la regulación de los autorreceptores M 2 [61, 62] (Figura 2]. A pesar de que el H 2 autoreceptor puede ser disfuncional en la inflamación de las vías respiratorias alérgicas, como se ha descrito anteriormente, en la actualidad no hay pruebas de que ganglionares receptores muscarínicos M 1 se modifica de expresión [63]. Sin embargo, varios mediadores de la inflamación ganglionar facilitar la neurotransmisión, incluyendo tachykinins, histamina, prostaglandinas y la bradicinina [64]. Función de los ganglios de la vía aérea para filtrar las señales de las neuronas rápidamente disparando preganglionic por lo faciliation ganglionares de la transmisión por los mediadores de la inflamación es probable de importancia en la regulación del tono de la vía aérea [53].

La mayoría de las fibras del nervio aferente en las vías respiratorias son las fibras C-, que se presente a lo largo de las vías respiratorias, desde la laringe hasta el parénquima pulmonar. C-fibras responden a estímulos tales como el calor y el frío, pero también pueden ser activadas por los mediadores de la inflamación, lo que resulta en broncoconstricción reflejo, la producción de moco y tos [65]. La localización del mecanismo reflejo puede ser central y local, y pueden contribuir considerablemente al aumento del tono vagal en la EPOC, y la hiperreactividad de la vía aérea en el asma y la EPOC [65, 66]. Varios mediadores de la inflamación, incluida la histamina, prostanoides, tromboxano A 2, la bradicinina, serotonina y tachykinins se sabe para estimular las fibras nerviosas sensoriales [67]. Aferente terminaciones nerviosas sensoriales proyecto a la capa subepitelial en las vías respiratorias sanas, pero pueden estar expuestos a la luz vía aérea a la inducción de daño epitelial por los mediadores como los derivados de eosinófilos principales proteína básica [68]. Esto se considera un mecanismo importante en la regulación de las vías respiratorias vagally mediada hyperrresponsiveness.

Regulación de los receptores muscarínicos hipersecreción mucosa

La producción de moco en la vía aérea central de las vías respiratorias está bajo control colinérgico, y desempeña un papel importante en el asma y la EPOC [69, 70]. Mucosidad las vías respiratorias es una película protectora que sirve para prevenir la inhalación de partículas de daños en el epitelio de la vía aérea. Se compone de los electrolitos, el agua y contiene altas cantidades de mucins [69]. Mucins son glicoproteínas que son responsables de la alta viscosidad de la mucosidad; mucins la primaria se encuentran en las vías respiratorias son moco de la MUC5AC y MUC5B isoformas. Secretora de células de la mucosidad en las vías aéreas centrales incluyen células caliciformes, que están incrustados en el epitelio, submucosa y glándulas que se encuentran en relación a la vía aérea lumen. La acetilcolina es el dominante neurotransmiter que participan en la secreción de moco en las vías aéreas centrales [71] (Figura 2]. Así, la estimulación eléctrica de campo aumentos en la producción de moco bronquial preparativos, que es sensible a la atropina y tetrodotoxin [72]. Las vías respiratorias son probablemente las glándulas submucosas la fuente principal de este vagally regula la producción de moco. Submucosos glándulas son inervadas, y expresar funcional muscarínicos M 1 y M 3 receptores, aproximadamente en un ratio de 1:2 [73, 74]. Los receptores muscarínicos M 3 es el principal receptor que media la secreción de moco, mientras que la secreción de agua y electrolitos son probablemente mediado por los receptores muscarínicos M 3, en colaboración con los receptores M 1 [72, 75]. Células caliciformes también puede producir el moco en respuesta a la estimulación del receptor muscarínico, aunque a concentraciones relativamente altas de agonistas [71].

Hipersecreción mucosa es una característica anatomopatológica visto tanto en el asma y la EPOC que contribuye de manera significativa a la limitación del flujo aéreo por obstrucción de las vías respiratorias [76]. La composición del moco en el asma y la EPOC es generalmente alterado, con mayor expresión de la isoforma MUC5B baja carga, en particular en la EPOC, y con la expresión de pequeñas cantidades de la MUC2 insoluble; EPOC en la proporción de células de la mucosidad de las células de la serosa Glándulas submucosas También se ha aumentado [69]. Dado que la producción de moco en las vías aéreas centrales es, en gran medida, vagally mediada, aguda inflamación de las vías respiratorias puede regular hipersecreción mucosa mediante el aumento de la acetilcolina liberación de la misma manera como se describe en la sección anterior. Además, la estimulación de los receptores colinérgicos interactúa sinérgicamente con el factor de crecimiento epidérmico (EGF) en la activación de células de moco en las vías respiratorias glándulas submucosas [77]. Desde FEAG se cree que regulan la hiperplasia de las células goblet y la hipertrofia de la glándula moco en el asma y la EPOC [78, 79], esto puede tener otras consecuencias para los efectos de los receptores muscarínicos sobre esta patología. De hecho, la estimulación del receptor muscarínico transactivates el receptor de EGF en células caliciformes conjuntivales, que participa en la producción de mucinas por estas células [80]. Además, sobre la base de observaciones experimentales en modelos animales, la administración repetida de los agonistas muscarínicos y methacholine pilocarpina puede promover la hiperplasia de las células goblet y la hipertrofia de la glándula mucosa [81]. Esto plantea la posibilidad real de que la excesiva liberación de la acetilcolina endógena podría promover la remodelación de secretar moco de las células en el asma y la EPOC, pero eso todavía tiene que ser evaluada en seres humanos.

Los receptores muscarínicos regulación de la inflamación de las vías respiratorias

Tradicionalmente, la acetilcolina no se considera de regular inflamación de las vías respiratorias. Contratación células inflamatorias distribuir en todo el pulmón, y no están localizados principalmente a los nervios vagal. Los primeros estudios sugirieron que los linfocitos de sangre periférica y de los leucocitos polimorfonucleares no expresan funcional de los receptores muscarínicos [82]. Este punto de vista está cambiando, no obstante. La acumulación de pruebas demuestra que la acetilcolina y de su síntesis de la enzima colina acetiltransferasa (ChAT) están presentes no sólo en las vías respiratorias nervios, pero localizar a las células epiteliales y endoteliales, células musculares lisas, linfocitos, macrófagos, mastocitos, eosinófilos y neutrófilos y [2, 62 ]. Además, la rigurosa investigación ha puesto de manifiesto que la mayoría de las células inflamatorias expresar funcional de los receptores muscarínicos (Tabla 2]. Estos hallazgos sugieren que la acetilcolina puede regular los procesos inflamatorios por paracrinos y / o mecanismos autocrinos [83 - 86]. En particular, los niveles elevados de la acetilcolina se han observado en biopsias de piel de pacientes con dermatitis atópica, una condición a menudo asociada con el asma bronquial [87].

Leve asma y EPOC estable muestran distintos patrones en la naturaleza de la inflamación de las vías respiratorias. EPOC estable se caracteriza por la infiltración pulmonar de los neutrófilos, citotóxicos (CD8 +), linfocitos T, monocitos y macrófagos, mientras que en el asma leve, Th2 (CD4 +), linfocitos y eosinófilos muestran un claro aumento. La naturaleza y el alcance de la inflamación de las vías respiratorias son, sin embargo, depende de la gravedad de la enfermedad, como en la EPOC y el asma aguda grave tanto los neutrófilos y los linfocitos T CD8 contribuye de forma importante a la patología de la enfermedad [88].

Existe considerable evidencia de que la falta de sistema colinérgico neuronal desempeña un papel en los linfocitos, aunque su importancia relativa a la fisiología de la vía aérea todavía no está establecido. Leucocitos mononucleares, que consiste principalmente de los linfocitos, expresar ChAT ARNm y proteínas, contienen ACh y expresar los receptores muscarínicos y nicotínicos. El perfil de expresión de los receptores muscarínicos muestra alta variabilidad individual, a pesar de las 5 clases (M 1-M 5) de los receptores muscarínicos han sido detectados [83]. Agonistas de los receptores muscarínicos aumento citosólico de Ca 2 + tanto en hombres como en T-y B-líneas celulares en una forma sensible a la atropina, y el aumento de c-fos expresión mRNA en respuesta a los agonistas muscarínicos oxotremorine [89]. Este último efecto es sensible a diphenylacetoxy-4-N-methylpiperidine (4-DAMP) methobromide, pero no a pirenzepina o AF-DX 116, que es compatible con la participación de los receptores muscarínicos M 3 (Cuadro 1]. Además, phytohemagglutinin (un activador de células T) aumentó ChAT ARNm [90] y los receptores muscarínicos M 5 de expresión [91] en los leucocitos mononucleares estimuladas. La importancia de estas observaciones es que los receptores muscarínicos y no neuronal acetilcolina podría contribuir a la proliferación de linfocitos y la liberación de citoquinas, con las evidentes consecuencias para la inflamación de las vías aéreas en el asma y la EPOC. Además, se establece que los receptores muscarínicos desempeñar un papel importante en la regulación de la citotoxicidad de los linfocitos T [92]. Se requieren futuros estudios, sin embargo, para caracterizar la expresión y función de la no neuronales del sistema colinérgico en los linfocitos que se han infiltrado en los pulmones y en los linfocitos T que aprobó un CD4 o CD8 + + fenotipo

Un estudio reciente realizado por Profita et al. [93] investigó la expresión de muscarínicos M 1, M 2 yM 3 de esputo en los receptores de células obtenidas de controles sanos, fumadores y pacientes con EPOC. En este estudio, los tres subtipos de receptores muscarínicos que se observaron en los macrófagos y neutrófilos de todos los grupos de pacientes. M 1 se expresa en los receptores de baja abundancia de eosinófilos en pacientes con EPOC, pero no de controles sanos. Es importante destacar que la expresión de los receptores muscarínicos M 3 de los macrófagos es significativamente mayor en pacientes con EPOC, mientras que los receptores muscarínicos M 2 expresión está disminuido. La expresión de los receptores muscarínicos M 1 en macrófagos, y la expresión de la M 1 y M 3 receptores de los neutrófilos tendido a aumentar, aunque esto no alcanzó significación estadística. Funcional estudios demostraron que la acetilcolina inducida por la liberación de cantidades significativas de los leucotrienos B 4 y activado el p42/p44 MAP quinasa en la ruta de las células del esputo de los pacientes EPOC [93]. Quimiotaxis de neutrófilos inducida por la actividad de la acetilcolina también en el aumento de la EPOC. Estos resultados son totalmente coherentes con un estudio que demuestra que los macrófagos alveolares bovina liberación de eosinófilos, neutrófilos y monocitos quimiotaxis actividades en respuesta a la acetilcolina, probablemente con una predominante participación de los leucotrienos B 4 [94]. Estas observaciones ponen de manifiesto claramente que regula la expresión de los subtipos de receptores muscarínicos es una característica de las células inflamatorias que migrar a las vías respiratorias, aunque el impacto exacto de la dinámica funcional de la expresión del receptor en estas células tiene que ser dilucidado.

Además de sus efectos directos sobre las células inflamatorias, la acetilcolina también puede activar la liberación de citoquinas y quimioquinas estructurales de las células. Células epiteliales bronquiales liberación de eosinófilos, neutrófilos y monocitos quimiotaxis actividad en respuesta a la acetilcolina [95, 96]. De conformidad con los resultados antes mencionados, parece haber un importante papel de los leucotrienos B 4 en estos efectos. Acetilcolina se sabe también para inducir a la liberación de GM-CSF humano de células epiteliales bronquiales por un mecanismo que involucra a receptores nicotínicos [97]. Dado que la expresión de la no-neuronal acetilcolina es relativamente alta en las células epiteliales bronquiales [98], estos resultados podrían implicar una función de la acetilcolina en la puesta en marcha del epitelio respuestas inflamatorias.

Los receptores muscarínicos del músculo liso bronquial células pueden desempeñar un papel profundo en la regulación de inflamación de las vías aéreas: un estudio reciente demuestra que el agonista de los receptores muscarínicos carbachol aumenta la transcripción de genes inflamatorios en el músculo liso traqueal de bovino tiras [99]; RT-PCR cuantitativa análisis demuestra que puede carbachol Modulan la expresión de varios genes, incluyendo IL-8, la ciclooxigenasa (COX) 1 y 2 y activador del plasminógeno tipo uroquinasa (PLAU), y, carbachol marcadamente pro-inflamatorias aumenta la expresión de genes inducidos por oscilación sinusoidal de longitud, con efectos sinérgicos De la IL-6, IL-8 y de la COX 2 y, en menor medida, PLAU y CCL-2 [99]. Colectivamente, estos estudios sugieren la acetilcolina es un autocrina o paracrina hormona que pudieran estar implicados en la regulación de la inflamación en un número de sitios celulares en las vías respiratorias (Tabla 2]. En este punto, sin embargo se carece de pruebas que indiquen la participación directa de la no neuronal acetilcolina en la fisiopatología del asma y la EPOC y futuros estudios están claramente justificados dentro de este ámbito.

Los receptores muscarínicos regulación de la remodelación de la vía aérea

Las enfermedades inflamatorias crónicas de las vías respiratorias se asocian generalmente con el desarrollo de los cambios estructurales de las vías respiratorias; un fenómeno que comúnmente se conoce como la remodelación de la vía aérea. La remodelación de la vía aérea se ve en ambos el asma y la EPOC, aunque la naturaleza, localización y extensión de la remodelación son variables (Tabla 3]. La remodelación de la vía aérea es progresiva, tanto en el asma y la EPOC, y la medida de los cambios estructurales se correlaciona con la gravedad de la enfermedad [100 - 102]. Sobre la base de estas consideraciones, se cree que la mayoría de los cambios estructurales, por ejemplo, el aumento de músculo liso de las vías respiratorias en masa hipertrofia de la glándula y moco, contribuir a un aumento progresivo de la gravedad de la enfermedad a lo largo del tiempo y la decadencia irreversible de la función pulmonar en pacientes con enfermedades crónicas. Algunos cambios estructurales, por el otro lado, la deposición de matriz incluido en la pared de la vía aérea, no son necesariamente perjudiciales, pero pueden realmente proteger a los enfermos de las vías respiratorias cierre de la vía aérea mediante el aumento de la rigidez muro de la vía aérea [103, 104]. Es evidente que existe una compleja relación entre la estructura y la función de las vías respiratorias. De hecho, en la actualidad existe una considerable esfuerzo de investigación en curso utilizando in vitro, ex vivo, in vivo y sistemas de aclarar los principales determinantes estructurales de las vías aéreas y la función pulmonar en la salud y la enfermedad.

Contráctil agonistas G-actuando sobre los receptores acoplados a proteínas cada vez más se reconocen como los principales contribuyentes a la remodelación de la vía aérea en el asma. Cysteinyl leucotrienos han recibido una atención significativa a este respecto: la capacidad de anti-leucotrienos para prevenir alergeno inducida por inflamación de las vías respiratorias, la producción de moco y la oclusión, la hiperplasia de las células goblet, y sobre todo las vías respiratorias fibrosis y engrosamiento del músculo liso de las vías respiratorias se han descrito [105 - 109 ]. La acetilcolina, por otra parte, no ha sido en general considerada como un factor determinante fundamental de los cambios estructurales en las vías respiratorias. Sin embargo, los recientes hallazgos están cambiando este punto de vista. De hecho, puede haber un destacado papel regulador de la acetilcolina endógena en la promoción de las vías respiratorias inducida por alergenos remodelación [4, 110]. En las secciones siguientes de la contribución potencial de la acetilcolina a los componentes específicos de las vías respiratorias son la remodelación que se están debatiendo.

La proliferación de las células mesenquimales

Estimulación de los receptores muscarínicos induce la proliferación de profunda primaria cultivadas fibroblastos humanos de pulmón [111]. Además, aunque la estimulación de los receptores muscarínicos no es suficiente para inducir la proliferación del músculo liso de las vías respiratorias; agonistas de los receptores muscarínicos aumentar las respuestas a la del factor de crecimiento epidérmico (EGF) y de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) factor, en humanos y bovinos músculo liso bronquial [112 , 113]. Este aumento es considerable: la curva dosis-respuesta a PDGF se desplaza tanto hacia arriba y hacia la izquierda, lo que indica que los receptores muscarínicos aumento de la respuesta mitogénica a cualquier concentración PDGF. Por otra parte, los agonistas muscarínicos puede potenciar la respuesta mitogénica de los miocitos en respuesta a bajas concentraciones de PDGF que de otra forma serían insuficientes para estimular el crecimiento de las células. El perfil inhibidor de una variedad de subtipos-antagonistas selectivos (4-DAMP y DAU5884, pero no gallamine) demuestra la exclusiva participación de los receptores muscarínicos M 3, en este sentido [113] (Tabla 1]. La importancia de este efecto está potenciando demostrado in vivo: las reiteradas exposiciones de cobayas sensibilizados a ovoalbúmina aumenta músculo liso bronquial masiva en la pequeña, no cartilaginoso vías respiratorias, que se inhibió en gran medida por el tratamiento con el agente anticolinérgico bromuro de tiotropio [3]. En cambio, el bromuro de tiotropio en sí no tuvo ningún efecto sobre la masa de músculo liso bronquial, ya sea en el cartílago o no cartilaginosos vías respiratorias, lo que corrobora los resultados in vitro que la estimulación del receptor muscarínico por sí sola no es suficiente para inducir la respuesta mitogénica.

Los mecanismos que subyacen a la pro-mitógenos efectos de la estimulación de los receptores muscarínicos que aún no se han estudiado en detalle. Sin embargo, varias vías de señalización intracelular que se han identificado mitógenos regular la interacción sinérgica de otros agonistas de GPCR con factores de crecimiento en el músculo liso bronquial (Figura 3]. Estas vías no son necesariamente la misma para todos los GPCR agonista; sin embargo, los estudios ofrecen algunas pistas importantes. El GPCR agonista de la trombina inducida por EGF aumenta la proliferación a través de una vía de la participación de G βγ, fosfatidilinositol-3-kinasa, Akt y p70S6kinase [114]. Aunque la trombina es mitogénica por sí mismo y, por tanto, presumiblemente difiere en su perfil de señalización de los receptores muscarínicos agonistas, esta vía es de interés, como la activación sinérgica de p70S6kinase por carbachol y EGF se ha observado en humanos células de músculo liso bronquial [112]. Este sinergismo mitógenos también podría implicar PKC; esta enzima es responsable de los efectos potenciadores de la GPCR agonista de la bradicinina con EGF en el músculo liso bronquial [115], y regula la actividad p70S6kinase [116, 117]. PKC también p42/p44 MAP quinasa regula la activación por agonistas de los receptores muscarínicos en el músculo liso bronquial [4]. La participación de la pequeña proteína G RhoA en la sinergia inducida por GPCR agonistas de los factores de crecimiento y también debe considerarse [118], que es interesante dado que RhoA expresión se incrementa en modelos animales de asma y la EPOC, tal como se describe anteriormente. Claramente, se necesitan más estudios para desentrañar en detalle las vías de señalización implicadas en los efectos potenciadores de los agonistas de los receptores muscarínicos en el factor de crecimiento inducido por la proliferación del músculo liso de las vías respiratorias.

Diferenciación de las células mesenquimales

Los mediadores que conducen a la expresión de la proteína contráctil (por ejemplo, TGF-β) se cree que desempeñan un papel importante en la diferenciación de la proliferación de células mesenquimales en madurar las células del músculo liso de vía aérea, en las vías respiratorias hipertrofia de las células musculares lisas, y en la acumulación de myofibroblast [119, 120]. Estas respuestas, junto con la proliferación de las células del músculo liso, contribuirá a aumentar la masa de músculo liso bronquial en el asma, EPOC y, posiblemente, en [101, 119, 121, 122]. Increased expression of contractile apparatus associated proteins likely plays an important role in determining both airway bronchoconstrictor responsiveness and the extent of airway remodeling in asthma and COPD (Table 3 ) [ 110 ].

Mesenchymal cells from all individual airway wall compartments (adventitial fibroblasts, airway smooth muscle cells, mucosal fibroblasts) can be induced to acquire a more contractile phenotype, characterized by increases in smooth muscle specific protein expression, such as smooth muscle (sm)-α- actin, sm-myosin heavy chain (MHC) and desmin [ 123 - 125 ]. Induction of contractile protein gene transcription and protein translation in airway smooth muscle cells and fibroblasts is regulated by at least two pathways: the RhoA/Rho-kinase pathway and the phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)/mammalian target of rapamycin (mTOR)/ p70S6kinase pathway [ 122 , 126 ] (Figure 3 ). There also appears to be a parallel and significant role for PKC as a modulator of the contribution of these pathways in the control of smooth muscle specific gene transcription, and protein accumulation [ 110 , 127 ]. Both the RhoA and PI3K pathways can be activated by muscarinic receptor agonists [ 43 , 112 ], and may be involved in mediating effects of muscarinic receptor agonists on SM22 and sm-MHC promoter activity [ 128 ]. Muscarinic receptor stimulation also leads to increased levels of sm-α-actin and sm-MHC mRNA in intact bovine tracheal smooth muscle strips, an effect that was also linked to mechanical strain applied to the strips [ 129 ]. Inhibition of PKC leads to an increase in RhoA-dependent transcription of SM22 and smMHC promoters [ 127 ]. Since PKC is strongly activated by muscarinic receptor agonists, therefore the contribution of this signaling pathway in the control of smooth muscle gene transcription needs to be established more clearly. In addition, Ca 2+ dependent pathways, induced by high concentrations of muscarinic receptor agonists, modulate smooth muscle specific contractile protein expression and contractility in organ-cultured bovine tracheal smooth muscle strips [ 130 ]. This indicates that the effects of muscarinic receptors are under tight control of multiple pathways. Future studies are clearly warranted in this area to better understand the interplay between the multiple pathways induced by muscarinic receptors, and their significance as determinants of airway smooth muscle differentiation and cellular hypertrophy.

Repeated exposures of sensitized guinea pigs to ovalbumin cause a ~4-fold increase in pulmonary sm-MHC expression with little effect on sm-α-actin expression [ 3 ]. Since sm-MHC is a far more stringent marker for mature airway smooth muscle cells than sm-α-actin, which is a more general marker for lung cells of mesenchymal origin [ 125 ], these results indicate that maturation of differentiated mesenchymal cells may have occurred in this model. Indeed, the contractile response of tracheal smooth muscle strips to methacholine was increased in the allergen challenged animals, whereas muscle mass in the large airways had not changed. Treatment of these animals with tiotropium bromide significantly inhibited the ovalbumin-induced sm-MHC expression and increases in tracheal contractility, indicating that endogenous acetylcholine contributes to these effects [ 3 ]. Collectively, these studies point to an important role for acetylcholine and muscarinic receptors in mesenchymal cell remodeling in allergic airways disease. The effects of muscarinic receptor antagonists on airway wall remodeling in animal models of COPD have not yet been investigated.

Other aspects of airway remodeling

Evidence of the involvement of muscarinic receptor stimulation in other aspects of airway remodeling in asthma and COPD is scarce, mainly because this has not yet received sufficient attention to date. Since G-protein coupled receptor signaling has been associated with extracellular matrix production [ 131 ] and pulmonary vascular smooth muscle cell proliferation [ 132 ], effects of muscarinic receptor agonists on extracellular matrix remodeling and pulmonary vascular remodeling could be envisaged, though entirely speculative at this point. In addition, a role for muscarinic receptors in goblet cell hyperplasia and mucus gland hypertrophy has been postulated (see section on mucus hypersecretion). Future studies are clearly required to investigate the effects of muscarinic receptors on these aspects of airway remodeling.

Therapeutic implications

Collectively, the observations we have discussed in this review suggest significant hitherto unexpected therapeutic implications. Thus, anticholinergic therapy could achieve far reaching and significant controller effects for chronic asthma and COPD that extend its capacity as reliever medications to promote bronchodilation. Based on the findings and considerations presented above, it could be envisaged that anticholinergics inhibit airway inflammation and limit airway remodeling, retarding the progressive decline in lung function in asthma and COPD patients.

Though previous studies using ipratropium bromide indicate no improvement in the annual decline in lung function in patients with obstructive airways diseases [ 132 ], these therapeutic outcomes may relate to limitations of this drug. Ipratropium bromide is short-acting, whereas the recently introduced anticholinergic agent tiotropium bromide is long-acting and more potent. In addition, tiotropium bromide has a considerably longer relative half-life of dissociation from muscarinic M 3 and M 1 receptors than from muscarinic M 2 receptors, making the drug 'kinetically selective' for M 3 and M 1 receptors [ 5 , 133 , 134 ]. It is still debatable as to whether this kinetic selectivity is clinically important; however, since M 2 autoreceptor blockade is associated with enhanced acetylcholine outflow from the vagal nerve, whereas muscarinic M 3 receptor blockade inhibits most of the postjunctional effects of acetylcholine (as described above ) some beneficial effects of this property could be envisaged.

Indeed, a recent study indicates that tiotropium bromide induces a marked reduction in lung function decline of COPD patients [ 6 ]. Although this study was retrospective, the results of this study were remarkable: the mean decline in FEV 1 in one year was 58 ml in the placebo group vs. 12 ml in the tiotropium group. This reduction has not been observed with ipratropium bromide in COPD patients [ 133 ]. Tiotropium bromide is also superior to ipratropium bromide on other aspects, both with respect to spirometry, health related quality of life and number of exacerbations in COPD patients [ 134 ]. In view of our own recent findings using a guinea pig model of ongoing allergic asthma [ 3 ], showing that tiotropium bromide protects against allergen-induced increases in airway smooth muscle thickening, contractile protein accumulation and tracheal hypercontractility, the drug tiotropium bromide might also be effective in slowing or preventing airway remodeling in chronic asthma. Future studies are required to translate these findings to asthma patients, however.

Conclusión

Acetylcholine is a parasympathetic neurotransmitter and an autocrine or paracrine hormone that regulates airway smooth muscle contraction, mucus production, airway inflammation and airway remodeling. The release of acetylcholine, and the expression of several effector systems central in muscarinic regulation of airway function are enhanced in asthma and COPD, suggesting that the effects of acetylcholine could contribute significantly to the pathophysiology of these obstructive airways diseases. Recent clinical and experimental findings support this hypothesis, suggesting that anticholinergics, most notably the long-acting tiotropium bromide, could achieve reductions in airway remodeling and lung function decline in addition to its effects as a bronchodilator.

Contribuciones de los autores

RG participated in the design of the article and drafted the manuscript. AJH, JZ and HM participated in the design of the article, assisted in drafting the manuscript and revised it critically for important intellectual content. All authors approved the final manuscript.

Agradecimientos

The Manitoba institute of Child Health (MICH), National Training Program in Allergy and Asthma (NTPAA), Sick Kids Foundation/Institute of Human Development, Child and Youth Health (#XG05-011), Canadian Institutes of Health Research, and the Netherlands Asthma Foundation are all greatly acknowledged for their financial contributions. RG is the recipient of a Marie Curie Outgoing International Fellowship (MOIF-2005-008823). AJH is supported by a Canadian Institutes of Health Research New Investigator Award.