Сравнительный анализ экспрессии гена TRPM8 и маркеров хобл в легких крыс при интоксикации сигаретным дымом и табачным аэрозолем

Обоснование. Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) остается глобальной медико-социальной проблемой. Известно, что ионный канал TRPM8, являющийся рецептором холода, вовлечен в патогенез заболевания. Однако существующие экспериментальные модели ХОБЛ часто не включают верификацию изменений его экспрессии.

Цель. Смоделировать ХОБЛ-подобные изменения у крыс при ингаляционном воздействии сигаретного дыма и табачного аэрозоля, комплексно оценив морфологические изменения в легочной ткани и уровень экспрессии гена TRPM8, а также ключевых генов-маркеров ХОБЛ.

Материалы и методы. Самцов крыс линии Wistar разделили на контрольную и две экспериментальные группы (n = 30). Ежедневно в течение 42 дней проводили ингаляционное воздействие: на первую группу — сигаретным дымом (СД), на вторую — табачным аэрозолем (ТА). На 42-й день выполняли гистологический анализ легких и оценку экспрессии маркерных генов ХОБЛ (CCR3, CCL13, COL4A2, IL2RA, VWF) и TRPM8 методом ОТ-ПЦР.

Результаты. Воздействие СД вызывало значительные морфологические изменения: склероз (73,3 % животных), инфильтрат (100 %), эмфизема (56,7 %) и гиперплазия бокаловидных клеток (90 %) против контроля (p < 0,001). ТА приводил к менее выраженным изменениям, а эмфизема отсутствовала. В группе СД отмечали достоверное повышение экспрессии: COL4A2 в 63,5 раза, IL2RA в 7,9 раза, CCL13 в 4,7 раза и TRPM8 в 2,2 раза. В группе ТА экспрессия также значимо увеличилась: COL4A2 в 9,6 раза, IL2RA в 3,0 раза, CCL13 в 7,0 раза и TRPM8 в 2,6 раза. СД вызывал более сильную экспрессию COL4A2 и IL2RA, чем ТА.

Заключение. Модель с 42-дневным воздействием СД наиболее адекватно воспроизводит ХОБЛ-подобный фенотип. Важно, что обе использованные экспериментальные модели вызывают значимое увеличение транскрипции гена холодовых рецепторов TRPM8, что подтверждает его роль в патогенезе и открывает новые мишени для терапии.

1. Behrendt HJ, Germann T, Gillen C, Hatt H, Jostock R. Characterization of the mouse cold-menthol receptor TRPM8 and vanilloid receptor type-1 VR1 using a fluorometric imaging plate reader (FLIPR) assay. Br. J. Pharmacol. 2004; 141(4): 737–745. doi: 10.1038/sj.bjp.0705652.

2. Bolger GB. Therapeutic Targets and Precision Medicine in COPD: Inflammation, Ion Channels, Both, or Neither? Int. J. Mol. Sci. 2023; 24(24): 17363. doi: 10.3390/ijms242417363

3. Cazzola M, Rogliani P, Blasi F. Can treatable traits be the approach to addressing the complexity and heterogeneity of COPD? Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon. Dis. 2023; 18: 1959–1964. doi: 10.2147/COPD.S428391

4. Wang J, Yang G, Li M, Zhou X. Transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-based mechanisms underlie both the cold temperature-induced inflammatory reactions and the synergistic effect of cigarette smoke in human bronchial epithelial (16HBE) cells. Front. Physiol. 2019; 10: 285. doi: 10.3389/fphys.2019.00285

5. Lamb JG, Romero EG, Lu Z, Marcus SK, Peterson HC, Veranth JM, et al. Activation of Human Transient Receptor Potential Melastatin-8 (TRPM8) by Calcium-Rich Particulate Materials and Effects on Human Lung Cells. Mol. Pharmacol. 2017; 92(6): 653–664. doi: 10.1124/mol.117.109959

6. Li M, Li Q, Yang G, Kolosov VP, Perelman JM, Zhou XD. Cold temperature induces mucin hypersecretion from normal human bronchial epithelial cells in vitro through a transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-mediated mechanism. J. Allergy Clin. Immunol. 2011; 128(3): 626-34.e1-5. doi: 10.1016/j.jaci.2011.04.032

7. Lin AH, Liu MH, Ko HB, Perng DW, Lee TS, Kou YR. Inflammatory Effects of Menthol vs. Non-menthol Cigarette Smoke Extract on Human Lung Epithelial Cells: A Double-Hit on TRPM8 by Reactive Oxygen Species and Menthol. Front Physiol. 2017; 8: 263. doi: 10.3389/fphys.2017.00263

8. Lin AH, Liu MH, Ko HK, Perng DW, Lee TS, Kou YR. Menthol Cigarette Smoke Induces More Severe Lung Inflammation Than Non-menthol Cigarette Smoke Does in Mice With Subchronic Exposure – Role of TRPM8. Front Physiol. 2018; 9: 1817. doi: 10.3389/fphys.2018.01817

9. Li MC, Yang G, Zhou XD, Tselluyko S, Perelman JM. The pathophysiological mechanisms underlying mucus hypersecretion induced by cold temperatures in cigarette smoke-exposed rats. Int J Mol Med. 2014; 33(1): 83-90. doi: 10.3892/ijmm.2013.1535

10. Feng T, Cao J, Ma X, Wang X, Guo X, Yan N, et al. Animal models of chronic obstructive pulmonary disease: a systematic review. Front Med (Lausanne). 2024; 11: 1474870. doi: 10.3389/fmed.2024.1474870

11. Wong ET, Kogel U, Veljkovic E, Martin F, Xiang Y, Boue S, et al. Evaluation of the Tobacco Heating System 2.2. Part 4: 90-day OECD 413 rat inhalation study with systems toxicology endpoints demonstrates reduced exposure effects compared with cigarette smoke. Regul. Toxicol. Pharmacol. 2016; 81 (Suppl 2): S59–S81. doi: 10.1016/j.yrtph.2016.10.015

12. Yang XR, Lin MJ, McIntosh LS, Sham JS. Functional expression of transient receptor potential melastatinand vanilloid-related channels in pulmonary arterial and aortic smooth muscle. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2006; 290(6): L1267–76. doi: 10.1152/ajplung.00515.2005

13. Upadhyay P, Wu CW, Pham A, Zeki AA, Royer CM, Kodavanti UP, et al. Animal models and mechanisms of tobacco smoke-induced chronic obstructive pulmonary disease (COPD). J. Toxicol. Environ. Health B. Crit. Rev. 2023; 26(5): 275–305. doi: 10.1080/10937404.2023.2208886

14. Guan Q, Tian Y, Zhang Z, Zhang L, Zhao P, Li J. Identification of Potential Key Genes in the Pathogenesis of Chronic Obstructive Pulmonary Disease Through Bioinformatics Analysis. Front. Genet. 2021; 12: 754569. doi: 10.3389/fgene.2021.754569

15. Lang G, Henao C, Almstetter M, Arndt D, Goujon C, Maeder S. Non-targeted analytical comparison of a heated tobacco product aerosol against mainstream cigarette smoke: does heating tobacco produce an inherently different set of aerosol constituents? Anal Bioanal Chem. 2024; 416(6): 1349-1361. doi: 10.1007/s00216-024-05126-x

16. Moennikes O, Vanscheeuwijck PM, Friedrichs B, Anskeit E, Patskan GJ. Reduced toxicological activity of cigarette smoke by the addition of ammonia magnesium phosphate to the paper of an electrically heated cigarette: subchronic inhalation toxicology. Inhal Toxicol. 2008; 20(7): 647-63. doi: 10.1080/08958370701813273

17. Wright JL, Churg A. Animal models of chronic obstructive pulmonary disease. Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol. 2008; 295(1): L1-L15. doi: 10.1152/ajplung.90200.2008

18. Flatschacher D, Speckbacher V, Zeilinger S. qRAT: an R-based stand-alone application for relative expression analysis of RT-qPCR data. BMC Bioinformatics. 2022; 23(1): 286. doi: 10.1186/s12859-022-04823-7

19. Ritchie ME, Phipson B, Wu D, Hu Y, Law CW, Shi W, et al. Limma powers differential expression analyses for RNA-sequencing and microarray studies. Nucleic Acids Res. 2015; 43(7): e47. doi: 10.1093/nar/gkv007

20. Zhang JD, Biczok R, Ruschhaupt M. ddCt: The ddCt Algorithm for the Analysis of Quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR). R package version 1.62.0. 2024. doi: 10.18129/B9.bioc.ddCt

21. Voynow JA, Fischer BM, Malarkey DE, Burch LH, Wong T, Longphre M, et al. Neutrophil elastase induces mucus cell metaplasia in mouse lung. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2004; 287(6): L1293–302. doi: 10.1152/ajplung.00140.2004

22. Малыхин Ф.Т., Косторная И.В. Морфологические изменения органов дыхания при хронической обструктивной болезни легких. Архив патологии. 2016; 78(1): 42-50. doi: 10.17116/patol201678142-50

23. Karnaushkina MA, Fedosenko SV, Vinogradov DL, Streltsova TV, Ogorodova LM. Chronic Obstructive Pulmonary Disease and Cardiovascular Diseases: Systemic Effects. Doctor.Ru. Internal Medicine Cardiology Rheumatology. 2015; 8(109)–9(110): 50–53.

24. Смирнова О.В., Выхристенко Л.Р. Роль клеток системы иммунитета в патогенезе бронхиальной астмы. Медицинские новости. 2011; 5: 14-19.

25. Barnes PJ. The cytokine network in asthma and chronic obstructive pulmonary disease. J. Clin. Invest. 2008; 118(11): 3546–3556. doi: 10.1172/jci36130

26. Fang C, Kang B, Zhao P, Ran J, Wang L, Zhao L, et al. MCP-4 and Eotaxin-3 are novel biomarkers for chronic obstructive pulmonary disease. Can. Respir. J. 2023; 2023: 8659293. doi: 10.1155/2023/8659293

27. Jha A, Thwaites RS, Tunstall T, Kon OM, Shattock RJ, Hansel TT, et al. Increased nasal mucosal interferon and CCL13 response to a TLR7/8 agonist in asthma and allergic rhinitis. J. Allergy Clin. Immunol. 2021; 147(2): 694–703.e12. doi: 10.1016/j.jaci.2020.07.012

28. Zhang Y, Ren L, Sun J, Han F, Guo X. Increased Serum Soluble Interleukin-2 Receptor Associated with Severity of Acute Exacerbation of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 2021; 16: 2561-2573. doi: 10.2147/COPD.S321904

29. Chernyaev AL, Samsonova MV. Inflammation in chronic obstructive pulmonary disease: molecular basis of pathogenesis. Consilium Medicum. 2008; 10(10): 57–63.

30. Wang J, Yang G, Li M, Zhou X. Transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-based mechanisms underlie both the cold temperature-induced inflammatory reactions and the synergistic effect of cigarette smoke in human bronchial epithelial (16HBE) cells. Front. Physiol. 2019; 10: 285. doi: 10.3389/fphys.2019.00285

31. Naumov DE, Kotova OO, Gassan DA, Sugaylo IY, Afanas’eva EY, Sheludko EG, et al. Effect of TRPM8 and TRPA1 polymorphisms on COPD predisposition and lung function in COPD patients. J. Pers. Med. 2021; 11(2): 108. doi: 10.3390/jpm11020108

32. Сугайло И.Ю., Гассан Д.А., Котова О.О., Наумов Д.Е., Горчакова Я.Г., Шелудько Е.Г., и др. Влияние полиморфизма TRPM8 на прогрессирование бронхиальной обструкции у больных хронической обструктивной болезнью легких. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2022; (86): 15-23. [doi: 10.36604/1998-5029-2022-86-15-23

33. Feng T, Cao J, Ma X, Wang X, Guo X, Yan N, et al. Animal models of chronic obstructive pulmonary disease: a systematic review. Front Med (Lausanne). 2024; 11: 1474870. doi: 10.3389/fmed.2024.1474870

34. Zhou F, Li DF, Yuan L, Fu HY, Ma P, Zhang KD, et al. A comparative study of two chronic obstructive pulmonary disease mouse models established by different methods. Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi. 2019; 42(5): 367-371.(In Chinese). doi: 10.3760/cma.j.issn.1001-0939.2019.05.010

35. Yang Y, Di T, Zhang Z, Liu J, Fu C, Wu Y, et al. Dynamic evolution of emphysema and airway remodeling in two mouse models of COPD. BMC Pulm Med. 2021; 21(1): 134. doi: 10.1186/s12890-021-01456-z

36. Nitta NA, Sato T, Komura M, Yoshikawa H, Suzuki Y, Mitsui A, et al. Exposure to the heated tobacco product IQOS generates apoptosis-mediated pulmonary emphysema in murine lungs. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2022; 322(5): L699-L711. doi: 10.1152/ajplung.00215.2021

37. Li MC, Yang G, Zhou XD, Tselluyko S, Perelman JM. The pathophysiological mechanisms underlying mucus hypersecretion induced by cold temperatures in cigarette smoke-exposed rats. Int J Mol Med. 2014; 33(1): 83-90. doi: 10.3892/ijmm.2013.1535

38. Saha P, Jain S, Mukherjee I, Panda SR, Zeki AA, Naidu VGM, et al. The effects of dual IQOS and cigarette smoke exposure on airway epithelial cells: implications for lung health and respiratory disease pathogenesis. ERJ Open Res. 2023; 9(3): 00558-2022. doi: 10.1183/23120541.00558-2022