ブレオマイシンによる薬物誘発性間質性肺疾患のラットモデルにおけるイメージングバイオマーカーと病態生物学的プロファイリング

Imaging Biomarkers and Pathobiological Profiling in a Rat Model of Drug-Induced Interstitial Lung Disease Induced by Bleomycin.

• Irma Mahmutovic Persson
• Hanna Falk Håkansson
• Anders Örbom
• Jian Liu
• Karin von Wachenfeldt
• Lars E Olsson

抄録

多くの薬剤が全身投与されているが、その中には薬剤性間質性肺疾患（DIILD）を引き起こす可能性のあるものもある。我々は、ラットの間質性肺疾患モデルの特徴を明らかにし、間質性肺疾患の検出と定量化のためのイメージングバイオマーカー（IB）を開発することを目的としている。本研究では、Sprague-Dawleyラットにブレオマイシンを単回気管内投与し、投与後0日目、3日目、7日目、14日目、21日目、28日目に磁気共鳴画像法（MRI）と陽電子放出断層撮影法（PET）／コンピュータ断層撮影法（CT）を用いて縦断的に画像化した。気管支肺胞洗浄液（BALF）は、総タンパク質と炎症性細胞の分析を行った。肺は、定量的PCRを用いた遺伝子解析と組織学による更なる評価のために保存した。肺切片をMasson's-Trichrome染色で染色し、修正Ashcroftスコアで評価した。炎症性および線維性マーカーの遺伝子発現プロファイリングを肺組織ホモジネート上で行った。ブレオマイシンは、気管支肺胞ラバージ（BAL）中の総タンパク質濃度と総細胞数の有意な増加を誘導し、それぞれ対照と比較して3日目（＞0.001）と7日目（＞0.001）でピークを迎えた。ブレオマイシンを投与したラットの肺のMRIとPET信号によって測定された病変は、3日目から14日目の間に有意に増加し、7日目にピークを迎えた。動物の2つのサブグループは、総肺容積の異なる変化によって、低応答と高応答として識別された。両群とも最初は炎症の兆候を示したが、その後の時点で低反応群はコントロールに向かって回復し、高反応群は肺容積の持続的な増加を示し、コントロールと比較して有意な病変容積の増加（<0.001）を示した。最後に、肺組織から重要な炎症性および線維化マーカーを評価し、画像病理学的変化と遺伝子発現パターンとの関連を明らかにした。結論として、ブレオマイシン誘発性肺障害は、DIILD研究やMRIやPETイメージングによるトランスレーショナルな肺障害評価に適した動物モデルである。本研究では、ブレオマイシン誘発性肺障害のモデル動物として、炎症と線維化の割合が異なる疾患反応を想定した。これにより、DIILDと肺損傷のイメージングとバイオマーカーの理解を深めることができました。

A large number of systemically administered drugs have the potential to cause drug-induced interstitial lung disease (DIILD). We aim to characterize a model of DIILD in the rat and develop imaging biomarkers (IBs) for detection and quantification of DIILD. In this study, Sprague-Dawley rats received one single dose of intratracheal (i.t.) bleomycin and were longitudinally imaged at day 0, 3, 7, 14, 21, and 28 post dosing, applying the imaging techniques magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET)/computed tomography (CT). Bronchoalveolar lavage fluid (BALF) was analyzed for total protein and inflammatory cells. Lungs were saved for further evaluation by gene analysis using quantitative-PCR and by histology. Lung sections were stained with Masson's-Trichrome staining and evaluated by modified Ashcroft score. Gene expression profiling of inflammatory and fibrotic markers was performed on lung tissue homogenates. Bleomycin induced significant increase in total protein concentration and total cell count in bronchoalveolar lavage (BAL), peaking at day 3 ( > 0.001) and day 7 ( > 0.001) compared to control, respectively. Lesions measured by MRI and PET signal in the lungs of bleomycin challenged rats were significantly increased during days 3-14, peaking at day 7. Two subgroups of animals were identified as low- and high-responders by their different change in total lung volume. Both groups showed signs of inflammation initially, while at later time points, the low-responder group recovered toward control, and the high-responder group showed sustained lung volume increase, and significant increase of lesion volume ( < 0.001) compared to control. Lastly, important inflammatory and pro-fibrotic markers were assessed from lung tissue, linking observed imaging pathological changes to gene expression patterns. In conclusion, bleomycin-induced lung injury is an adequate animal model for DIILD studies and for translational lung injury assessment by MRI and PET imaging. The scenario comprised disease responses, with different fractions of inflammation and fibrosis. Thereby, this study improved the understanding of imaging and biological biomarkers in DIILD and lung injury.

Copyright © 2020 Mahmutovic Persson, Falk Håkansson, Örbom, Liu, von Wachenfeldt and Olsson.