Upper Airway Mucosal Inflammation: Proteomic Studies after Exposure to Irritants and Microbial Agents

People are, in their daily lives, exposed to a number of airborne foreign compounds that do not normally affect the body. However, depending on the nature of these compounds, dose and duration of exposure, various airway symptoms may arise. Early symptoms are often manifested as upper airway mucosal inflammation which generates changes in protein composition in the airway lining fluid. This thesis aims at identifying, understanding mechanisms and characterizing protein alterations in the upper airway mucosa that can be used as potential new biomarkers for inflammation in the mucosa. The protein composition in the mucosa was studied by sampling of nasal lavage fluid that was further analyzed with a proteomic approach using two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry. Additionally, by studying factors on site through environmental examination, health questionnaires and biological analyses, we have tried to understand the background to these protein alterations and their impact on health. Respiratory symptoms from the upper airways are common among people who are exposed to irritative and microbial agents. This thesis have focused on personnel in swimming pool facilities exposed to trichloramine, metal industry workers exposed to metalworking fluids, employees working in damp and moldy buildings and infants diagnosed with respiratory syncytial virus infection. The common denominator in these four studies is that the subjects experience upper airway mucosal inflammation, which is manifested as cough, rhinitis, phlegm etc. In the three occupational studies, the symptoms were work related. Notably, a high prevalence of perceived mucosal symptoms was shown despite the relatively low levels of airborne irritants revealed by the environmental examination. Protein profiling verified an ongoing inflammatory response by identification of several proteins that displayed altered levels. Interestingly, innate immune proteins dominated and four protein alterations occurred in most of the studies; SPLUNC1, protein S100A8 and S100A9 and alpha-1antitrypsin. Similarly, these proteins were also found in nasal fluid from children with virus infection and in addition a truncated form of SPLUNC1 and two other S100 proteins (S100A7-like 2 and S100A16), not previously found in nasal secretion, were identified. Altogether, the results indicate the potential use of a proteomic approach for identifying new biomarkers for the upper respiratory tract at an early stage in the disease process after exposure to irritant and microbial agents. The results indicate an effect on the innate immunity system and the proteins; SPLUNC1, protein S100A8 and S100A9 and alpha-1-antitrypsin are especially promising new biomarkers. Moreover, further studies of these proteins may help us to understand the molecular mechanisms involved in irritant-induced airway inflammation. POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING FÖRÄNDRAD PROTEINSAMMANSÄTTNING I DE ÖVRE LUFTVÄGARNA EFTER EXPONERING FÖR SLEMHINNEIRRITERANDE ÄMNEN Varje dag utsätts vi för partiklar och ämnen i vår omgivningsluft, som vanligtvis inte påverkar oss. Beroende på ämnenas irriterande egenskaper, mängderna som inandas och hur ofta eller hur lång tid som vi exponeras så kan de dock ge upphov till luftvägssjukdom. Något som kan drabba personer som i sitt arbete är exponerade för irriterande kemikalier. Tidiga effekter märks ofta som besvär i de övre luftvägarna beroende på en inflammation i slemhinnan. Denna slemhinna utgör normalt ett skydd mot att inandade partiklar förs ner i lungorna och innehåller bland annat celler och ett stort antal proteiner där flera är viktiga i vårt medfödda immunförsvar mot bakterier och virus. Förändringar i slemhinnans sammansättning är möjliga att undersöka med hjälp av nässköljning med koksaltlösning. Genom att analysera proteinerna i nässköljvätskan med ny teknik, proteomik, kan man urskilja vilka typer av proteiner som reagerat på en viss exponering och få ökad förståelse för de bakomliggande sjukdomsmekanismerna. Syftet med denna avhandling har därför varit att hitta specifika proteiner som kan fungera som biomarkörer för inflammation i slemhinnan efter vistelse i arbetsmiljöer där man kan exponeras för irriterande ämnen. Utöver nässköljvätska har vi använt oss av luftanalyser på plats, hälsoenkäter samt andra biologiska analyser för att djupare förstå bakgrunden till arbetsmiljöns hälsopåverkan. Vissa arbetsmiljöer är mer kända än andra för att ge upphov till luftvägsproblem. I den här avhandlingen har vi inriktat oss på personal som arbetar i simhallsmiljö och är exponerade för trikloraminer, industriarbetare exponerade för skärvätska och personer som arbetar i fuktskadade byggnader. Vi har även studerat barn med RS-virus (respiratory syncytial virus) infektion. Gemensamt för de fyra grupperna är risken för övre luftvägsproblem, som ger sig till känna till exempel genom hosta, slem, och rinnande näsa. I arbetsmiljöstudierna var symptomen arbetsplatsrelaterade, vilket betyder att besvären försvann vid ledighet. Våra resultat visade att en stor andel av personalen hade luftvägsproblem trots relativt låga nivåer av uppmätta luftvägsirritanter. Analyserna av nässköljvätska visade på effekter i luftvägarna genom flertalet förändrade proteinnivåer. Fyra proteiner som ingår i vårt medfödda immunförsvar återkom i flera av studierna; SPLUNC1, protein S100A8 och S100A9, och alpha-1-antitrypsin, och utgör potentiellt viktiga biomarkörer. Avhandlingen visar att analys av nässköljvätska kan användas för att hitta och mäta biomarkörer för inflammation i de övre luftvägarna och tyder på att exponering för irriterande ämnen leder till effekter på vårt medfödda immunförsvar. Resultaten kan få betydelse för att i ett tidigt skede kunna påvisa luftvägseffekter hos personer som är exponerade för irriterande ämnen vilket skulle underlätta möjligheterna till att snabbare kunna sätta in behandling och genomföra arbetsmiljöförbättrande åtgärder för att undvika att fler personer drabbas.