Подавление экспрессии генов Il5 и Il13 синтетическими молекулами миРНК уменьшает назальную гиперреактивность и воспаление в модели аллергического ринита у мышей

Аннотация

Th2‑цитокины (IL‑4, IL‑5 и IL‑13) играют важную роль в развитии аллергии и аллергического ринита (АР), в частности IL‑13 стимулирует гиперпродукцию слизи в дыхательных путях, а IL‑5 привлекает эозинофилы в слизистую оболочку носа, которые усиливают воспаление и повреждение тканей. Для лечения аллергических заболеваний разрабатываются препараты на основе моноклональных антител, блокирующие действие этих цитокинов. Однако исследования с использованием препаратов, подавляющих только IL‑13 (например, Tralokinumab и Lebrikizumab), не показали значительного улучшения. Учитывая, что IL‑5 и IL‑13 играют разные роли в развитии АР, перспективным подходом может стать одновременное подавление этих цитокинов. Новые методы регуляции активности генов, например РНК‑интерференция (РНКи), открывают дополнительные перспективы в создании лекарственных препаратов. В работе описан комплекс, состоящий из молекул миРНК, подавляющий активность генов Il5 и Il13, и пептида-носителя LTP. Изучен эффект комплекса на развитие аллергического воспаления в модели АР у мышей. Подавление экспрессии Il5 уменьшило назальную гиперреактивность и количество бокаловидных клеток в респираторном эпителии мышей с индуцированным АР. Ингибирование гена Il13 продемонстрировало более выраженное терапевтическое действие по сравнению с подавлением Il5, дополнительно способствуя уменьшению инфильтрации клеток в слизистую оболочку носовой полости. Одновременное подавление генов Il5 и Il13 дало результат, аналогичный ингибированию только Il13. Это позволяет сделать вывод о том, что IL‑13 играет более значимую роль в развитии аллергического ринита по сравнению с IL‑5. В итоге продемонстрирована возможность использования РНКи для антицитокиновой терапии АР. Одновременная инактивация IL‑5 и IL‑13 молекулами миРНК не дает преимуществ, согласно используемым в данном исследовании критериям оценки, по сравнению с инактивацией только IL‑13. Однако отсутствие успеха анти‑IL‑13-терапии в клинической практике указывает на перспективность подхода, основанного на комбинированной блокировке IL‑5 и IL‑13.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

И.П. Шиловский, М.Р. Хаитов – концепция и руководство работой; В.И. Ковчина, Е.Д. Тимотиевич, Т.Е. Русак, А.А. Никольский, К.В. Юмашев, М.М. Каганова, Е.Б. Пасихов, К.В. Виноградова, Д.А. Гурский, М.В. Попова – проведение экспериментов; В.И. Ковчина, И.П. Шиловский – обсуждение результатов исследования; В.И. Ковчина, М.М. Каганова – написание текста; И.П. Шиловский, В.Е. Брылина – редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 23-45-10031) (https://rscf.ru/project/23-45-10031/).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Работа выполнена на мышах линии BALB/c, полученных из питомника лабораторных животных филиала ФГБУН «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» РАН (Пущино, Россия). Содержание животных (включая соответствующие помещения, квалифицированный персонал, необходимую документацию) и все эксперименты с животными проводили в соответствии с позицией по этике использования животных в исследованиях, выполняемых при поддержке Российского научного фонда, а также в соответствии с Директивой 2010/63/ЕС Европейского парламента и Совета Европейского Союза от 22 сентября 2010 г. Исследование было одобрено Комиссией по биоэтике ФГБУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России (№ 010 от 23.04.2018 г.).

Список литературы

1. Astafieva, N. G., Baranov, A. A., Vishneva, E. A., Daikhes, N. A., Zhestkov, A. V., Ilyina, N. I., Karneeva, O. V., Karpova, E. P., Kim, I. A., Kryukov, A. I., Kurbacheva, O. M., Meshkova, R. Ya., Namazova-Baranova, L. S., Nenasheva, N. M., Novik, G., Nosulya, E. V., Pavlova, K., Pampura, A., Svistushkin, V. M., Selimzyanova, L.R., Khaitov, M. R., and Khaitov, R. M. (2020) Allergic rhinitis, Russ. Rhinol., 28, 246-256, https://doi.org/10.17116/ROSRINO202028041246.

2. Yoo, E. R. (2015) Global atlas of allergic rhinitis and chronic rhinosinusitis, European Academy of Allergy and Clinical Immunology, 1-442.

3. Bousquet, J., Anto, J. M., Bachert, C., Baiardini, I., Bosnic-Anticevich, S., Canonica, W. G., Melén, E., Palomares, O., Scadding, G. K., Togias, A., and Toppila-Salmi, S. (2020) Allergic rhinitis, Nat. Rev. Dis. Primers, 6, 95, https://doi.org/10.1038/S41572-020-00227-0.

4. Козулина И. Е., Курбачева О. М., Ильина Н. И. (2014) Аллергия сегодня. Анализ новых эпидемиологических данных, Росс. Аллергол. Журн., 3, 3-10.

5. Kucuksezer, U. C., Ozdemir, C., Cevhertas, L., Ogulur, I., Akdis, M., and Akdis, C. A. (2020) Mechanisms of allergen-specific immunotherapy and allergen tolerance, Allergol. Int., 69, 549-560, https://doi.org/10.1016/j.alit.2020.08.002.

6. Bush, A. (2019) Pathophysiological mechanisms of asthma, Front. Pediatr., 7, 446532, https://doi.org/10.3389/FPED.2019.00068.

7. Meng, Y., Wang, C., and Zhang, L. (2019) Recent developments and highlights in allergic rhinitis, Allergy, 74, 2320-2328, https://doi.org/10.1111/ALL.14067.

8. Shilovskiy, I. P., Eroshkina, D. V., Babakhin, A. A., and Khaitov, M. R. (2017) Anticytokine therapy of allergic asthma, Mol. Biol., 51, 1-13.

9. Shilovskiy, I. P., Kovchina, V. I., Timotievich, E. D., Nikolskii, A. A., and Khaitov, M. R. (2023) Role and molecular mechanisms of alternative splicing of Th2-cytokines IL-4 and IL-5 in atopic bronchial asthma, Biochemistry (Moscow), 88, 1608-1621, https://doi.org/10.1134/S0006297923100152.

10. Komlósi, Z. I., van de Veen, W., Kovács, N., Szűcs, G., Sokolowska, M., O’Mahony, L., Mübeccel, A., and Akdis, C. A. (2022) Cellular and molecular mechanisms of allergic asthma, Mol. Asp. Med., 85, 100995, https://doi.org/10.1016/j.mam.2021.100995.

11. Habib, N., Pasha, M. A., and Tang, D. D. (2022) Current understanding of asthma pathogenesis and biomarkers, Cells, 11, 2764, https://doi.org/10.3390/cells11172764.

12. Gans, M. D., and Gavrilova, T. (2020) Understanding the immunology of asthma: Pathophysiology, biomarkers, and treatments for asthma endotypes, Paediatr. Respirat. Rev., 36, 118-127, https://doi.org/10.1016/j.prrv.2019.08.002.

13. Harb, H., and Chatila, T. A. (2020) Mechanisms of dupilumab, Clin. Exp. Allergy, 50, 5-14, https://doi.org/10.1111/cea.13491.

14. Keating, G. M. (2015) Mepolizumab: first global approval, Drugs, 75, 2163-2169, https://doi.org/10.1007/s40265-015-0513-8.

15. Menzella, F., Ruggiero, P., Ghidoni, G., Fontana, M., Bagnasco, D., Livrieri, F., Scelfo, C., and Facciolongo, N. (2020) Anti-il5 therapies for severe eosinophilic asthma: literature review and practical insights, J. Asthma Allergy, 13, 301-313, https://doi.org/10.2147/JAA.S258594.

16. Tohda, Y., Matsumoto, H., Miyata, M., Taguchi, Y., Ueyama, M., Joulain, F., and Arakawa, I. (2022) Cost-effectiveness analysis of dupilumab among patients with oral corticosteroid-dependent uncontrolled severe asthma in Japan, J. Asthma, 59, 2162-2173, https://doi.org/10.1080/02770903.2021.1996596.

17. Wilson, R. C., and Doudna, J. A. (2013) Molecular mechanisms of RNA interference, Annu. Rev. Biophys., 42, 217-239, https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-083012-130404.

18. Lu, Z. J., and Mathews, D. H. (2008) OligoWalk: an online siRNA design tool utilizing hybridization thermodynamics, Nucleic Acids Res., 36, W104-W108, https://doi.org/10.1093/nar/gkn250.

19. Shilovskiy, I. P., Sundukova, M. S., Korneev A. V., Nikolskii, A. A., Barvinskaya, E. D., Kovchina, V. I., Vishniakova, L. I., Turenko, V. N., Yumashev, K. V., Kaganova, M. M., Brylina, V. E., Sergeev, I., Maerle, A., Kudlay, D. A., Petukhova, O., and Khaitov, M. R. (2022) The mixture of siRNAs targeted to IL-4 and IL-13 genes effectively reduces the airway hyperreactivity and allergic inflammation in a mouse model of asthma, Int. Immunopharmacol., 103, 108432, https://doi.org/10.1016/j.intimp.2021.

20. Kozhikhova, K. V., Andreev, S. M., Shilovskiy, I. P., Timofeeva, A. V., Gaisina, A. R., Shatilov, A. A., Turetskiy, E.A., Andreev, I. M., Smirnov, V. V., Dvornikov, A. S., and Khaitov, M. R. (2018) A novel peptide dendrimer LTP efficiently facilitates transfection of mammalian cells, Org. Biomol. Chem., 16, 8181-8190, https://doi.org/10.1039/c8ob02039f.

21. Conrad, M. L., Yildirim, A. Ö., Sonar, S. S., Kiliç, A., Sudowe, S., Lunow, M., Teich, R., Renz, H., and Garn, H. (2009) Comparison of adjuvant and adjuvant-free murine experimental asthma models, Clin. Exp. Allergy, 39, 1246-1254, https://doi.org/10.1111/j.1365-2222.2009.03260.x.

22. Shilovskiy, I. P., Barvinskaia, E. D., Kaganova, M. M., Kovchina, V. I., Yumashev, K. V., Korneev, A. V., Nikolskii, A. A., Vishnyakova, L. I., Brylina, V.E., Rusak, T. E., Kurbachova, O. M., Dyneva, M. E., Petukhova, O. A., Gudima, G.O., Kudlay, D. A., and Khaitov, M. R. (2022) A mouse model of allergic rhinitis mimicking human pathology, Immunologiya, 43, 654-672, https://doi.org/10.33029/0206-4952-2022-43-6-654-672.

23. Köse, Ş., Tatlı Kış, T., Diniz, G., Akbulut, İ., Serin, B. G., Yılmaz, C., Özyazıcı, M., Arıcı, M., Yurdasiper, A., and Yılmaz, O. (2021) A new experimental allergic rhinitis model in mice, İzmir Dr. Behçet Uz Çocuk Hast. Dergisi, 11, 233-239, https://doi.org/10.5222/buchd.2021.86658.

24. Gatta A. K., Hariharapura R. C., Udupa N., Reddy M. S., and Josyula V. R. (2018) Strategies for improving the specificity of siRNAs for enhanced therapeutic potential, Exp. Opin. Drug Discov., 13, 709-725, https://doi.org/10.1080/17460441.2018.1480607.

25. Zhang, Y., Lan, F., and Zhang, L. (2022) Update on pathomechanisms and treatments in allergic rhinitis, Allergy, 77, 3309-3319, https://doi.org/10.1111/all.15454.

26. Saito, H., Matsumoto, K., Denburg, A. E., Crawford, L., Ellis, R., Inman, M. D., Sehmi, R., Takatsu, K., Matthaei, K. I., and Denburg, J. A. (2002) Pathogenesis of murine experimental allergic rhinitis: a study of local and systemic consequences of IL-5 deficiency, J. Immunol., 168, 3017-3023, https://doi.org/10.4049/jimmunol.168.6.3017.

27. Cho, J. Y., Miller, M., Baek, K. J., Han, J. W., Nayar, J., Lee, S. Y., McElwain, S., Friedman, S., and Broide, D. H. (2004) Inhibition of airway remodeling in IL-5-deficient mice, J. Clin. Invest., 113, 551-560, https://doi.org/10.1172/jci200419133.

28. Hamelmann, E., Cieslewicz, G., Schwarze, J., Ishizuka, T., Joetham, A., Heusser, C., and Gelfand, E. W. (1999) Anti-interleukin 5 but not anti-IgE prevents airway inflammation and airway hyperresponsiveness, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 160, 934-941, https://doi.org/10.1164/ajrccm.160.3.9806029.

29. Lundblad, L. K. A., Thompson-Figueroa, J., Allen, G. B., Rinaldi, L., Norton, R. J., Irvin, C. G., and Bates, J. H. T. (2007) Airway hyperresponsiveness in allergically inflamed mice: the role of airway closure, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 175, 768-774, https://doi.org/10.1164/rccm.200610-1410OC.

30. Agrawal, A., Rengarajan, S., Adler, K. B., Ram, A., Ghosh, B., Fahim, M., and Dickey, B. F. (2007) Inhibition of mucin secretion with MARCKS-related peptide improves airway obstruction in a mouse model of asthma, J. Appl. Physiol., 102 399-405, https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00630.2006.

31. Huang, H. Y., Lee, C. C., and Chiang, B. L. (2008) Small interfering RNA against interleukin-5 decreases airway eosinophilia and hyper-responsiveness, Gene Ther., 15, 660-667, https://doi.org/10.1038/gt.2008.15.

32. Shardonofsky, F. R., Venzor, J.I., Barrios, R., Leong, K.-P., Huston, D. P., and Texas, H. (1999) Therapeutic efficacy of an anti-IL-5 monoclonal antibody delivered into the respiratory tract in a murine model of asthma, J. Allergy Clin. Immunol., 104, 215-221, https://doi.org/10.1016/S0091-6749(99)70138-7.

33. Walter, D. M., McIntire, J. J., Berry, G., McKenzie, A. N. J., Donaldson, D. D., DeKruyff, R. H., and Umetsu, D. T. (2001) Critical role for IL-13 in the development of allergen-induced airway hyperreactivity, J. Immunol., 167, 4668-4675, https://doi.org/10.4049/jimmunol.167.8.4668.

34. Grünig, G., Warnock, M., Wakil, A. E., Venkaya, R., Brombacher, F., Rennick, D.M., Sheppard, D., Mohrs, M., Donaldson, D. D., Locksley, R. M., and Corry, D. B. (1998) Requirement for IL-13 independently of IL-4 in experimental asthma, Science, 282, 2261-2263, https://doi.org/10.1126/science.282.5397.2261.

35. Wills-Karp, M., Luyimbazi, J., Xu, X., Schofield, B., Neben, T. Y., Karp, C. L., and Donaldson, D. D. (1998) Interleukin-13: central mediator of allergic asthma, Science, 282, 2258-2261, https://doi.org/10.1126/science.282.5397.2258.

36. Yang, G., Volk, A., Petley, T., Emmell, E., Giles-Komar, J., Shang, X., Li, J., Anuk, M. D., Shealy, D., Griswold, D. E., and Li, L. (2004) Anti-IL-13 monoclonal antibody inhibits airway hyperresponsiveness, inflammation and airway remodeling, Cytokine, 28, 224-232, https://doi.org/10.1016/j.cyto.2004.08.007.

37. Kumar, R. K., Herbert, C., Webb, D. C., Li, L., and Foster, P. S. (2004) Effects of anticytokine therapy in a mouse model of chronic asthma, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 170, 1043-1048, https://doi.org/10.1164/rccm.200405-681OC.

38. Lively, T. N., Kossen, K., Balhorn, A., Koya, T., Zinnen, S., Takeda, K., Lucas, J. J., Polisky, B., Richards, I. M., and Gelfand, E. W. (2008) Effect of chemically modified IL-13 short interfering RNA on development of airway hyperresponsiveness in mice, J. Allergy Clin. Immunol., 121, 88-94, https://doi.org/10.1016/j.jaci.2007.08.029.

39. Lee, C. C., Huang, H. Y., and Chiang, B. L. (2011) Lentiviral-mediated interleukin-4 and interleukin-13 RNA interference decrease airway inflammation and hyperresponsiveness, Hum. Gene Ther., 22, 577-586, https://doi.org/10.1089/hum.2009.105.

40. Webb, D. C., McKenzie, A. N. J., Koskinen, A. M. L., Yang, M., Mattes, J., and Foster, P. S. (2000) Integrated signals between IL-13, IL-4, and IL-5 regulate airways hyperreactivity, J. Immunol., 165, 108-113, https://doi.org/10.4049/jimmunol.165.1.108.

41. Marone, G., Granata, F., Pucino, V., Pecoraro, A., Heffler, E., Loffredo, S., Scadding, G. W., and Varricchi, G. (2019) The intriguing role of interleukin 13 in the pathophysiology of asthma, Front. Pharmacol., 10, 1387, https://doi.org/10.3389/fphar.2019.01387.

42. Weinstein, S. F., Katial, R., Jayawardena, S., Pirozzi, G., Staudinger, H., Eckert, L., Joish, V. N., Amin, N., Maroni, J., Rowe, P., Graham, N. M. H, and Teper, A. (2018) Efficacy and safety of dupilumab in perennial allergic rhinitis and comorbid asthma, J. Allergy Clin. Immunol., 142, 171-177.e1, https://doi.org/10.1016/j.jaci.2017.11.051.