Clinical and pathogenetic aspects of neutrophilic bronchial inflammation in asthma patients with cold-induced airway hyperresponsiveness (literature review)

The review presents data on the effect of neutrophilic bronchial inflammation on the clinical course, external respiration, and formation of the airway response to cold air in patients with asthma. According to the results of modern studies, activation of the structural and functional state of neutrophils in a mixed inflammatory pattern is associated with an increase in disease severity, more difficult achievement of asthma control, pronounced impairment of bronchial patency due to stimulation of epithelial destruction and remodeling, and development and maintenance of cold-induced airway hyperresponsiveness.

The mechanisms activating the Th1 cytokine profile and oxidative and halogenation stress and determining the activity of neutrophils and persistence of chronic inflammation lead to oxidative damage to lung parenchyma and epithelial dysfunction, which contributes to cold-induced bronchoconstriction. Cytolysis and NETosis, acting as alternative pathways of neutrophil death in the airways of asthma patients, are considered in terms of final stages of induced activity of neutrophil lysosomes in the mixed asthma phenotype.

1. Gibson P.G., Foster P.S. Neutrophilic asthma: welcome back! Eur. Respir. J. 2019;54(5):1901846. DOI: 10.1183/13993003.01846-2019

2. Snelgrove R.J., Patel D.F., Patel T., Lloyd C.M. The enigmatic role of the neutrophil in asthma: Friend, foe or indifferent? Clin. Exp. Allergy. 2018;48(10):1275–1285. DOI: 10.1111/cea.13191.

3. Пирогов А.Б., Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Ульянычев Н.В. Профиль воспаления бронхов и особенности течения легкой бронхиальной астмы. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2018;70:8–14. DOI: 10.12737/article_5c1261aedeeb84.53569846.

4. Hastie A.T., Moore W.C., Meyers D.A., Vestal P.L., Li H., Peters S.P. et al. Analyses of asthma severity phenotypes and inflammatory proteins in subjects stratified by sputum granulocytes. J. Allergy Clin. Immunol. 2010;125(5):1028–1036. DOI: 10.1016/j.jaci.2010.02.008.

5. Duvall M.G., Krishnamoorthy N., Levy B.D. Non-type 2 inflammation in severe asthma is propelled by neutrophil cytoplasts and maintained by defective resolution. Allergol. Int. 2019;68(2):143–149. DOI: 10.1016/j.alit.2018.11.006.

6. Salter B., Lacy P., Mukherjee M. Biologics in asthma: A molecular perspective to precision medicine. Front. Pharmacol. 2022;12:793409. DOI: 10.3389/fphar.2021.793409.

7. Огородова Л.М., Селиванова П.А., Геренг Е.А., Богомяков В.С., Волкова Л.И., Плешко Р.И. Патоморфологическая характеристика нестабильной бронхиальной астмы (фенотип brittle). Терапевтический архив. 2008;80(3):39–43.

8. Zhang X., Xu Z., Wen X., Huang G., Nian S., Li L. et al. The onset, development and pathogenesis of severe neutrophilic asthma. Immunol. Cell Biol. 2022;100(3):144–159. DOI: 10.1111/imcb.12522.

9. Qiu Y., Zhu J., Bandi V., Guntupalli K.K., Jeffery P.K. Bronchial mucosal inflammation and upregulation of CXC chemoattractants and receptors in severe exacerbations of asthma. Thorax. 2007;62(6):475–482. DOI: 10.1136/thx.2006.066670.

10. Turato G., Baraldo S., Zuin R., Saetta M. The laws of attraction: chemokines, neutrophils and eosinophils in severe exacerbations of asthma. Thorax. 2007;62(6):465–466. DOI: 1136/thx.2006.070656.

11. Пирогов А.Б., Приходько А.Г., Зиновьев С.В., Бородин Е.А., Ушакова Е.В., Макарова Г.А. и др. Особенности бронхиального воспаления у больных астмой с гиперреактивностью дыхательных путей на холодовой и осмотические триггеры. Бюллетень сибирской медицины. 2017;16(2):159–169. DOI: 10.20538/1682-0363-2017-2-159-169.

12. Mindt B.C., Krisna S.S., Duerr C.U., Mancini M., Richer L., Vidal S.M. et al. The NF-κB transcription factor c-Rel modulates group 2 innate lymphoid cell effector functions and drives allergic airway inflammation. Front. Immunol. 2021;12:664218. DOI: 10.3389/fimmu.2021.664218.

13. Куликов Е.С., Огородова Л.М., Фрейдин М.Б., Деев И.А., Селиванова П.А., Федосенко С.В. и др. Молекулярные механизмы тяжелой бронхиальной астмы. Молекулярная медицина. 2013;2:24–32.

14. Наумов Д.Е., Гассан Д.А., Афанасьева Е.Ю., Котова О.О., Шелудько Е.Г., Ушакова Е.В. Особенности цитокинового профиля индуцированной мокроты у больных бронхиальной астмой при холодовом воздействии. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2019;72:8–15. DOI: 10.12737/article_5d09d1aff1f5f6.43795360.

15. Peebles R.S. Jr., Aronica M.A. Proinflammatory pathways in the pathogenesis of asthma. Clin. Chest Med. 2019;40(1):29– 50. DOI: 10.1016/j.ccm.2018.10.014.

16. Курбачева О.М., Дынева М.Е., Шиловский И.П., Савлевич Е.Л., Ковчина В.И., Никольский А.А. и др. Особенности молекулярных механизмов патогенеза бронхиальной астмы в сочетании с полипозным риносинуситом. Пульмонология. 2021;31(1):7–19. DOI: 10.18093/0869-0189-2021-31-1-7-19.

17. Пирогов А.Б., Наумов Д.Е., Гассан Д.А., Афанасьева Е.Ю., Котова О.О., Шелудько Е.Г. и др. Клеточное воспаление и профиль цитокинов бронхов у больных бронхиальной астмой с холодовой гиперреактивностью дыхательных путей. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2020;75:21–31. DOI: 10.36604/1998-5029-2020-75-21-31.

18. Irvin C., Zafar I., Good J., Rollins D., Christianson C., Gorska M.M. et al. Increased frequency of dual-positive TH2/TH17 cells in bronchoalveolar lavage fluid characterizes a population of patients with severe asthma. J. Allergy Clin. Immunol. 2014;134(5):1175–1186. DOI: 10.1016/j.jaci.2014.05.038.

19. Krishnamoorthy N., Douda D.N., Brüggemann T.R., Ricklefs I., Duvall M.G., Abdulnour R.E. et al. Neutrophil cytoplasts induce TH17 differentiation and skew inflammation toward neutrophilia in severe asthma. Sci. Immunol. 2018;3(26):eaao4747. DOI: 10.1126/sciimmunol.aao4747.

20. Esteban-Gorgojo I., Antolín-Amérigo D., Domínguez-Ortega J., Quirce S. Non-eosinophilic asthma: current perspectives. J. Asthma Allergy. 2018;11:267–281. DOI: 10.2147/jaa.s153097.

21. Hynes G.M., Hinks T.S.C. The role of interleukin-17 in asthma: a protective response? ERJ Open Res. 2020;6(2):00364– 2019. DOI: 10.1183/23120541.00364-2019.

22. Lim H.F., Nair P. Airway inflammation and inflammatory biomarkers. Semin. Respir. Crit. Care Med. 2018;39(1):56–63. DOI: 10.1055/s-0037-1606217.

23. Никольский А.А., Шиловский И.П., Юмашев К.В., Вишнякова Л.И., Барвинская Е.Д., Ковчина В.И. и др. Влияние локального подавления экспрессии гена Stat3 на нейтрофильное воспаление легких в экспериментальной модели на мышах. Иммунология. 2021;42(6):600–614. DOI: 10.33029/0206-4952-2021-42-6-600-614.

24. Wisam A.R., Préfontaine D., Chouiali F., Martin J.G., Olivenstein R., Lemiére C. et al. TH17-associated cytokines (IL17A and IL-17F) in severe asthma. Аllergy Сlin. Immunol. 2009;123(5):1185–1187. DOI: 10.1016/j.jaci.2009.02.024.

25. Wood L.G., Baines K.I., Fu J. Scott H.A., Gibson P.G. The neutrophilic inflammatory phenotype is associated with systemic inflammation in asthma. Chest. 2012;142(1):86–93. DOI: 10.1378/chest.11-1838.

26. Sheppard F.R., Kelher M.R., Moore E.E., McLaughlin N.J.D., Banerjee A., Silliman C.C. Structural organization of the neutrophil NADPH oxidase: phosphorylation and translocation during priming and activation. J. Leukoc. Biol. 2005;78(5):1025–1042. DOI: 10.1189/jlb.0804442.

27. Серебренникова С.Н., Семинский И.Ж. Роль цитокинов в воспалительном процессе (сообщение 1). Сибирский медицинский журнал. 2008;81(6):5–8.

28. Васильева Г.И., Иванова И.А., Тюкавкина С.Ю. Кооперативное взаимодействие монои полинуклеарных фагоцитов, опосредованное монои нейтрофилокинами. Иммунология. 2000;5:11–7.

29. Kikuchi I., Kikuchi S., Kobayashi T., Hagiwara K., Sakamoto Y., Kanazawa M. et al. Eosinophil trans-basement membrane migration induced by interleukin-8 and neutrophils. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2006;34(6):760–765. DOI: 10.1165/rcmb.2005-0303OC.

30. Соловьева И.А., Собко Е.А., Крапошина А.Ю., Демко И.В., Салмина А.Б. Современные представления о роли CD38 в патогенезе бронхиальной астмы. Пульмонология. 2013;23(5):81–84. DOI: 10.18093/0869-0189-2013-0-5-81-84.

31. Tirumurugaan K.G., Kang B.N., Panettieri R.A., Foster D.N., Walseth T.F., Kannan M.S. Regulation of the cd38 promoter in human airway smooth muscle cells by TNF-alpha and dexamethasone. Respir. Res. 2008;9(1):26. DOI: 10.1186/14659921-9-26.

32. Wei L., Sandbulte M.R., Thomas P.G., Webby R.J., Homayouni R., Pfeffer L.M. NFkappa B negatively regulates interferon-induced gene expression and anti-influenza activity. J. Biol. Chem. 2006;281(17):11678–11684. DOI: 10.1074/jbc.m513286200.

33. Маянский А.Н. НАДФ-оксидаза нейтрофилов: активация и регуляция. Цитокины и воспаление. 2007;6(3):3–13.

34. Панасенко О.М., Сергиенко В.И. Галогенирующий стресс и его биомаркеры. Вестник Российской АМН. 2010;1:27–39.

35. Панасенко О.М., Горудко И.В., Соколов А.В. Хлорноватистая кислота как предшественник свободных радикалов в живых системах. Успехи биологической химии. 2013;53:195–244.

36. Соодаева С.К. Свободнорадикальные механизмы повреждения при болезнях органов дыхания. Пульмонология. 2012;22(1):5–10. DOI: 10.18093/0869-0189-2012-0-1-5-10.

37. Senthilmohan R., Kettle A.J. Bromination and chlorination reactions of myeloperoxidase at physiological concentrations of bromide and chloride. Arch. Biochem. Biophys. 2006;445(2):235–244. DOI: 10.1016/j.abb.2005.07.005.

38. Пирогов А.Б., Зиновьев С.В., Перельман Ю.М., Семиреч Ю.О., Семенова Г.В., Колосов А.В. Активность миелопероксидазы нейтрофильных и эозинофильных лейкоцитов индуцированной мокроты у больных бронхиальной астмой с холодовой бронхиальной гиперреактивностью. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2014;53:50–56.

39. Пирогов А.Б., Гассан Д.А., Зиновьев С.В., Приходько А.Г., Колосов В.П., Перельман Ю.М. Деструкция эпителия бронхов у больных тяжелой бронхиальной астмой при различных паттернах воспаления и холодовой гиперреактивности дыхательных путей. Терапевтический архив. 2019;91(3):31–35. DOI: 10.26442/00403660.2019.03.000091.

40. Kuwano K. Epithelial cell apoptosis and lung remodeling. Cell. Mol. Immunol. 2007;4(6):419–429.

41. Конищева А.Ю., Гервазиева В.Б., Лаврентьева Е.Е. Особенности структуры и функции респираторного эпителия при бронхиальной астме. Пульмонология. 2012;22(5):85– 91. DOI: 10.18093/0869-0189-2012-0-5-85-91.

42. Mall M.A. Role of cilia, mucus, and airway surface liquid in mucociliary dysfunction: lessons from mouse models. J. Aerosol. Med. Pulm. Drug. Deliv. 2008;21(1):13–24. DOI: 10.1089/jam.2007.0659.

43. Пирогов А.Б., Приходько А.Г., Зиновьев С.В., Перельман Ю.М., Чжоу С.Д., Ли Ц. Особенности структурной организации бокаловидного эпителия бронхов у больных бронхиальной астмой с холодовой гиперреактивностью дыхательных путей. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2018;67:17–24. DOI: 10.12737/article_5a9f25a71c07b18.21464221.

44. Holgate S.T. The sentinel role of the airway epithelium in asthma pathogenesis. Immunol. Rev. 2011;242(1):205–219. DOI: 10.1111/j.1600-065X.2011.01030.x.

45. Геренг Е.А., Суходоло И.В., Плешко Р.И., Огородова Л.М., Селиванова П.А., Дзюман А.Н. Цитоморфологический анализ ремоделирования бронхиальной стенки при различных типах бронхиальной астмы. Клиническая медицина. 2012;90(2):24–27.

46. Киселева Р.Е., Федотова Г.Г. Апоптоз и его роль в ответе нейтрофилов. Современные наукоемкие технологии. 2005;8:75–76.

47. Невзорова В.А., Пазыч С.А., Бархатова Д.А., Кудрявцева В.А. Роль процессов клеточной гибели в развитии воспаления при бронхиальной астме. Тихоокеанский медицинский журнал. 2006;2:54–58.

48. Иванчук И.И., Сазонов А.Э., Петровский Ф.И., Лещева И.С., Копьева А.П., Петрова И.В. Роль интерлейкина-5 в механизмах апоптотической гибели эозинофилов периферической крови больных бронхиальной астмой. Бюллетень сибирской медицины. 2003;2:38–43.

49. Киселева Р.Е., Федотова Г.Г. Деструктивные изменения в лейкоцитах при бронхолегочной патологии. Современные наукоемкие технологии. 2007;1:81–82.

50. Williams T.L., Rada B., Tandon E., Gestal M.C. “NETs and EETs, a Whole Web of Mess”. Microorganisms. 2020;8(12):1925. DOI: 10.3390/microorganisms8121925.

51. Köckritz-Blickwede von M., Nizet V. Innate immunity turned inside-out: antimicrobial defense by phagocyte extracellular traps. J. Mol. Med. 2009;87(8):775–783. DOI: 10.1007/ s00109-009-0481-0.

52. Коротина О.Л., Генералов И.И. Нейтрофильные внеклеточные ловушки: механизмы образования, функции. Иммунопатология, аллергология, инфектология. 2012;4:23–32.

53. Кравцов А.Л. Формирование внеклеточных ловушек – эффективный механизм защиты организма от патогена. Проблемы особо опасных инфекций. 2012;112:69–74. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-2(112)-69-74.

54. Chen F., Yu M., Zhong Y., Wang L., Huang H. Characteristics and role of neutrophil extracellular traps in asthma. Inflammation. 2022;45(1):6–13. DOI: 10.1007/s10753-021-01526-8.

55. Vorobjeva N.V. Neutrophil extracellular traps: new aspects. Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2020;75(4):173–188. DOI: 10.3103/S0096392520040112.

56. Ravi A., Chowdhury S., Dijkhuis A., Bonta P.I., Sterk P.J., Lutter R. Neutrophilic inflammation in asthma and defective epithelial translational control. Eur. Respir J. 2019;54(2):1900547. DOI: 10.1183/13993003.00547-2019

57. Lindén A., Dahlén B. Interleukin-17 cytokine signalling in patients with asthma. Eur. Respir. J. 2014;44(5):1319–1331. DOI: 10.1183/09031936.00002314.