The airway epithelium plays a fundamental protective role in the respiratory system against microbial agents. A main defense mechanism is mucociliary clearance (MCC). MCC efficacy depends on airway surface properties, which are controlled by the activity of ion channels and transporters. In particular, the viscosity of secreted mucins depends on hydration as well as on pH/[HCO3-] in the airway surface fluid. The protective role of the airway epithelium is disrupted in two genetic diseases: cystic fibrosis (CF) and primary ciliary dyskinesia (PCD). In CF, loss-of-function of the CFTR channel impairs Cl- and HCO3- secretion. PCD is instead caused by loss-of-function of genes involved in cilia formation and beating. Despite the different primary defect, CF and PCD share a similar pathophysiological condition that derives from the impairment of MCC. This condition favors the colonization of the airways by bacteria that in turn is the trigger for a chronic inflammatory state. Inflammation induces mucus hypersecretion, further worsening MCC and favoring intra-mucus bacterial survival and proliferation.
Our goal is to develop novel pharmacological strategies to improve MCC in CF and PCD. This overall goal is addressed by: i) the development of novel correctors to rescue mutant CFTR function; ii) the identification of small molecules to overcome the basic defect caused by premature termination codons (PTCs), which are found in both CF and PCD patients; iii) improvement of MCC by modulation of alternative targets.
In collaboration with Prof. Paola Barraja (University of Palermo), we are working at the optimization of a novel class of pharmacological correctors to improve the trafficking and function of CFTR with Phe508del and other CF mutations. By screening a 9,000 compounds library with a functional assay, we are looking for inhibitors of nonsense-mediated RNA decay (NMD) a phenomenon that limits the rescue of proteins affected by PTCs. These compounds may be useful for both CF and PCD. Finally, we recently found that IL-17, a cytokine with an important role in anti-bacterial response, has a particular detrimental effect on MCC properties, particularly in CF airway epithelia. We have investigated the underlying mechanisms, revealing that IL-17 upregulates the expression of ATP12A proton pump, SLC26A4 anion exchanger, and ENaC sodium channel. The net result is the dehydration of airway surface with generation of a hyperviscous state. Pharmacological inhibition of this process may improve clearance of airway surface in CF and PCD.
APPROCCIO FARMACOLOGICO PER IL TRATTAMENTO DEL DIFETTO DI BASE NELLA FIBROSI CISTICA E NELLA DISCINESIA CILIARE PRIMARIA
Le cellule epiteliali che rivestono le vie respiratorie hanno un ruolo protettivo fondamentale nei confronti di agenti microbici. Il meccanismo principale di difesa è la "clearance" mucociliare la cui efficacia dipende dal battito ciliare e dalle proprietà chimico-fisiche del fluido periciliare che ricopre le vie aeree. In particolare, le proprietà del fluido dipendono dall'attività di proteine che mediano il trasporto di ioni e che quindi regolano il grado di idratazione e di viscosità nonché il livello di acidità del fluido stesso. Il ruolo protettivo dell'epitelio respiratorio è alterato in due malattie genetiche: la fibrosi cistica (FC) e la discinesia ciliare primaria (DCP). Nella FC, la perdita di funzione della proteina CFTR determina un deficit di trasporto di cloruro e bicarbonato che rende il fluido periciliare eccessivamente acido e disidratato. Nella DCP, è il battito cliare ad essere compromesso. La conseguenza in entrambi i casi è l'alterazione della clearance mucociliare con colonizzazione batterica, infiammazione cronica e accumulo di muco.
Il nostro obiettivo è lo sviluppo di strategie farmacologiche che migliorino la funzione mucociliare nella FC e nella DCP. Per questo obiettivo generale ci proponiamo di: i) sviluppare nuovi agenti farmacologici per il recupero della funzione di CFTR; ii) identificare composti in grado di correggere il difetto di base causato da mutazioni nonsenso, presenti sia nella FC che nella DCP; iii) promuovere la funzione mucociliare attraverso la modulazione di bersagli alternativi.
In collaborazione con la Prof.ssa Paola Barraja (Università di Palermo), stiamo procedendo all'ottimizzazione di una nuova classe di correttori farmacologici del difetto di maturazione della proteina CFTR causato da F508del e altre mutazioni FC. Attraverso lo screening di una collezione di 9000 composti chimici con un saggio funzionale, stiamo cercando inibitori del meccanismo di "nonsense-mediated RNA decay" (NMD) che limita il recupero funzionale di geni colpiti da mutazioni nonsenso. Tali composti potranno essere utili sia per FC che per PCD. Infine, abbiamo recentemente scoperto che IL-17, una citochina con un importante ruolo nella risposta anti-batterica delle vie aeree, ha un particolare effetto negativo sulla funzione mucociliare. L'analisi del meccanismo d'azione di IL-17 ha rivelato che l'aumento di espressione del canale del sodio ENaC, della pompa protonica ATP12A e dello scambiatore anionico SLC26A4 ha un ruolo importante nel determinare l'aumento di viscosità del fluido periciliare. Inibitori farmacologici di tali proteine di membrana potrebbero migliorare le proprietà del fluido che ricopre gli epiteli sia nella FC che nella PCD.