Mahasuolikanavan musiinin koostumuksesta väitöskirja 2018

Karolina Sjöberg Jabnar Early stage inflammation and cancer as reflected in the gastrointestinal mucus composition http://hdl.handle.net/2077/56912

Väitös 12.11.2018)

Suomennosta  tiivistelmästä

MUCUS, musiinilima, peittää kehon sisäisiä välipintoja  miljööseen päin  tehden ihmisen kykeneväksi vitaaliin interaktioon  ulkopuolisen maailman kanssa. Musiini rakentuu musiiniproteiineista, jotka ovat tärkeitä ihmisen puolustuskyvyssä  infektioita ja tulehduksia vastaan, mutta ne antavat myöskin oman osansa  karsinogeneesiin ja tuumorien kehittymiseen.
Näitä musiinibiologian eri näkökohtia  valaistaan esimerkein  tämän väitökirjan  osatöissä, jotka kaikki  perustuvat massaspektrometrisiin tutkimuksiin. Aihepiiri kattaa  alueita haimasyövän varhaisdiagnostiikan  musiinibiomerkitsijöistä  aivan  viimeaikaisiin löytöihin  linkistä  musiiniin liittyvän bakteerin ja  IBS:n kesken.

• Mucus covers our inner interfaces towards the environment, providing protection while enabling vital interaction with the outside world. The mucus is built around mucin proteins, which are important for our defences against infection and inflammation, but may also contribute to carcinogenesis and tumour progression. These divergent aspects of mucin biology are exemplified in the different studies in this thesis, which are all based on mass spectrometry. The topics covered range from mucin biomarkers for the early diagnosis of pancreatic cancer, to the discovery of a link between a mucus-associated bacterial genus and irritable bowel syndrome.

 Haimasyöpä on suhteellisen harvinainen tuumorimuoto, mutta  kaavaillaan sen muodostuvan toiseksi johtavaksi syöpäkuolemien syyksi USA:ssa vuonna 2030. Kehno prognoosi selvittyy  suureksi osaksi myöhäisestä havaitsemisesta, Kuvaantamistekniikan  edistymisen takia  pystytään havaitsemaan  haimasyövän kystisiä prekursoreita  nousevaan  tahtiin ja tästä taas  tulee  ennenkuulumaton  mahdollisuus preventioon ja parantavaan hoitoon.  Epäonnea on  kuitenkin sikäli, että saatavilla olevat  diagnostiset  työvälineet  eivät ole  riittävän  runsaita,  jotta voitaisiin suorittaa täsmäinterventiota suuren riskin kystisiin leesioihin.

•  Pancreatic cancer is a relatively rare tumour form, but is postulated to become the second leading cause of cancer deaths in the United States by 2030. The poor prognosis is largely explained by late detection. With advances in imaging, cystic precursors of pancreatic cancer are detected with increasing frequency, offering an unprecedented opportunity for prevention and cure. Unfortunately, available diagnostic tools are not sufficiently robust to enable targeted intervention against high-risk cystic lesions. 

 Tässä työssä  kuvataan massapektrometriaan perustuvia musiinin kvantifioimismenetelmiä sekä muita  haimakystanestenäytteiden biomerkitsijöitä,  niiden kehittymistä  ja  arviointia. Eräässä prospektiivisessa  arviointikohortissa analyysi tunnisti  haimasyövän kystisiä prekursoreita  97%;n tarkkuudella. Tämä tulos edustaa  merkitsevää  kohentumista  state of the art- diagnostisiin metodeihin.  Täten  analyysin kliininen  implementoiminen saattaa nopeuttaa  haimasyövän varhaista  havaitsemista, mikä on edellytys, jotta  elossapysymisluvut  saadaan kohenemaan.

• Here, we describe the development and evaluation of a mass spectrometry based method for quantification of mucins and other biomarkers in pancreatic cyst fluid samples. In a prospective validation cohort, the analysis identified cystic precursors of pancreatic cancer with 97% accuracy. This result represented a significant improvement upon state-of-the-art diagnostic methods. Thus, clinical implementation of the analysis may facilitate early detection of pancreatic cancer, which is a prerequisite for increasing survival rates.

 Haavainen paksunsuolentulehdus (UC)  on tulehduksellinen suolistotauti, jonka kulku on  kroonista ja siinä   tapahtuu ajoittaisia  pahenemisvaiheita.  Nykyisen käsityksen mukaan ulseratiivinen koliitti (UC)  johtuu epäasianmukaisista vuorovaikutuksista  paksunsuolen mikrobioottien ja isäntäkehon immuniteetin kesken geneettisen alttiuden ollessa pohjilla. Normaalisti suoliontelon runsas mikrobimäärä  on  eristäytyneenä paksusuolen epiteelistä, ja tällaisen  tilateen  vaikuttaa läpäisemätön  mukoosieste. 

Tässä väitöstyössä  havaittiin  epänormaaliuksia mukoosiproteiinien koostumuksessa haavaista paksunsuolentulehdusta (UC) potevilla henkilöillä, myös niissä näyteissä, jotka oli otettu tulehtumattomista kohdista. Tämä viittaa siihen, että paksusuolen mukoosiesteen rakenteellinen heikentyminen  voisi  olla  taudin kehittymisessä tärkeä seikka.  Eri  potilaiden kesken  ulseratiivisen koliitin  luonnollinen kulku vaihtelee huomattavasti. 

Prognostiset merkitsijät  taudin kulusta  voinevat  vähentää relapseja ja kolektomioita ja tarpeetonta  lääkkeen käyttöä.

•  Ulcerative colitis is an inflammatory bowel disease with a chronic and relapsing course. According to the current view, ulcerative colitis results from inappropriate interactions between colonic microbiota and host immunity, against a background of genetic susceptibility. Normally, the abundant luminal microbes are segregated from the colonic epithelium, through an impervious mucus barrier. Here, abnormalities in mucus protein composition were detected in ulcerative colitis patients, also in samples from non-inflamed areas. This implies that structural weakening of the colonic mucus barrier could be important for the development of the disease. The natural history of ulcerative colitis varies considerably between patients. Prognostic markers for the disease course could reduce relapses and colectomies, as well as the unnecessary use of medication. 

 Tässä työssä tutkijat tunnistivat paksunsuolen mukoosin   kahden proteiinin keskisen   suhteen vahvaksi prediktiotekijäksi  intensiivisemmän lääkityksen tai kirurgian tarpeesta   5-vuoden aikajaksona. Mielenkiintoinen seikka oli, että nämä kaksi proteiinia säätivät   eri tavalla  spesifisten  mikrobiaalisten ligandien  havaitsemista. Muuntunut tasapaino näiden proteiinien kesken alustavasti assosioitui  bakteeriendospoorien  infiltroitumiseen  paksunsuolen lamina propriaan. Täten  voidaan ajatella, että endospoorien  ajoittaiset  aktivoitumiset  saattavat antaa oman osansa  relapseihin, pahenemisiin, vaikeasti sairailla ulseratiivista koliittia (UC) potevilla.

•  Herein, we identified a ratio of two proteins in colonic mucus as a powerful predictor of the requirement for intensified medication or surgery during a five year period. Interestingly, these two proteins differentially regulate the sensing of specific microbial ligands. An altered equilibrium of these proteins was tentatively associated with infiltration of bacterial endospores in the colonic lamina propria. Thus, intermittent activation of endospores may conceivably contribute to relapses in patients with severe ulcerative colitis.  

 Brachyspira - bakteerisuvussa on useita patogeenisia lajeja. Tässä väitöstyössä  havaittiin kolmanneksella IBS- potilaista  Brachyspira- kolonisaatiota paksunsuolen epiteelin pinnalla ja sisemmässä  musiinikerroksessa, kun taas tällaista  oli   harvoin  havaittavissa terveiltä yksilöiltä.

Lisäksi Brachyspira-kolonisaatio liittyi selvästi erotettavaan  oirekirjoon sekä  mukoosan  immuunivasteeseen.   Tämä viittaa siihen, että  täsmäantibioottihoidolla  voidaan vähentää tämän potilasryhmän IBS- tautioireistoa. Kuitenkin  näiden tutkijoiden  mukaan  antibioottihoito paradoksaalisesti aiheutti Brachyspira-invaasion   goblet-solujen mukoosijyväsiin. Tämä havainto saattaa  edustaa  bakteerin taholta  uutta strategiaa, jolla bakteeri tekee evaasion ja  selviää antibiootista elossa. Kun  ottaa  huomioon  ymmärtämyksemme terapiaresitenteistä infektioista ja patogeenin  pinttyneisyydestä   suolistoreservuaareissa,   tämänkin tutkimuksen  tulos  viittaa tällaisen mahdollisuuden olemassoloon. 

• Brachyspira is a bacterial genus that includes several pathogenic species. In this thesis, Brachyspira colonization of the colonic epithelial surface and inner mucus layer was detected in one third of IBS patients, but rarely observed in healthy individuals. Furthermore, Brachyspira colonization was associated with a distinctive symptom profile and mucosal immune response. This suggests that targeted antibiotic therapy of this patient group may reduce the morbidity burden of IBS. However, in our investigation antibiotic treatment paradoxically resulted in Brachyspira invasion of goblet cell mucus granules. This observation may represent a novel bacterial strategy to evade and survive antibiotic treatment, with potential, broad implications for our understanding of therapy resistant infections and pathogen persistence in the intestinal reservoir.

Muistiin  2.11.2018