Karaktärisering av luftvägsjukdom hos häst med hjälp av transkriptomanalys i enskilda celler: en pilotstudie

Respiratory conditions is a growing issue in the equine industry and for horse welfare. Equine asthma is characterised by airway obstruction, chronic intermittent cough and mucus accumulation an impact the quality of life for affected horses. Similar to its human equivalent, equine asthma is a heterogeneous complex disease that is associated with both genetic and environmental factors. Despite extensive research the inflammatory processes underlying equine asthma remain incompletely defined. Hence, novel research strategies which lead to improved understanding of the cellular processes implicated in the disease is of importance. Here we propose to establish single cell transcriptomics for studying equine asthma at the level of individual cells and to create a comprehensive atlas of the cellular landscape in the airways of horses in health and disease. Ultimately this will lead to detection of new biomarkers, improved stratification of disease and more individualised therapy

Inflammatorisk luftvägssjukdom är en av de vanligaste orsakerna till nedsatt prestation hos hästar. Hästens astma karaktäriseras av varierande grad av återkommande hosta, andningsvårigheter och ökad slemproduktion i luftvägarna och påverkar hästens livskvalitet. I likhet med human astma är hästens astma en heterogen och komplex sjukdom som kan associeras med både miljöfaktorer och genetiska faktorer. Trots omfattande forskning så är faktorerna bakom hästens astma till stora delar okänd. Det är därför önskvärt med nya metoder och strategier för att fördjupa kunskapen om de sjukdomspecifika cellulära och inflammatoriska processerna. I detta projekt ska vi använda transkriptomanalys i enskilda celler för att karaktärisera celler i luftvägarna hos hästar diagnostiserade med astma. Förhoppningen är att denna metod ska kunna användas som ett verktyg för att finna biomarkörer, förbättra sjukdomsklassificering och i förlängningen leda till mer individualiserad behandling.

Astma hos häst utgör ett stort problem för hästens välfärd. Olika fenotyper av ekvin astma uppvisar varierande kliniska tecken, ålder för symptomdebut och kan associeras med förekomst av specifika inflammatoriska celltyper i lungan. Fram till nu har studier av dessa celltyper utförts på bulk-populationer som ger mätvärden som är genomsnittliga för ett stort antal celler och olika celltyper. Detta maskerar förekomst av ovanliga celler eller subpopulationer av en och samma celltyp som kan vara potentiellt viktiga för sjukdomens orsak och fortskridande. I detta projekt har vi implementerat en ‘single-cell’ RNA-sekvenseringsteknologi och skapat en omfattande ’karta’ över det cellulära landskapet i hästens lunga. Genom att analysera transkriptomen hos tusentals enskilda celler i lungan förväntar vi oss att få en ökad förståelseför de inflammatoriska processerna bakom hästens astma. Förhoppningen är att detta ska leda tillbättre diagnostisk precision och behandlingsprediktion.

Inflammatoriska luftvägssjukdomar hos häst är, efter ortopediska problem, den vanligaste orsaken till nedsatt prestation hos hästar som lever i stallmiljö. Hästar kan lida av allvarliga astmaliknande problem eller lindrigare grad av inflammation i luftvägarna som enbart visar sig genom prestationsnedsättning. Hästens astma (ekvin astma) har varit föremål för forskning under de senaste decennierna men fortfarande kvarstår många frågetecken rörande de cellulära mekanismerna bakom de astmaliknande symptomen. Man kan dela in ekvin astma i flera undergrupper som troligen skiljer sig åt immunologiskt och svarar olika på behandling. Vi vet att immunceller i hästarnas lunga är involverade i sjukdomsförloppet och med hjälp av lungsköljprov kan man få ett prov av de immunceller som befinner sig i lungan.
Det finns ett stort behov av nya analysmetoder inom forskningsområdet för att förstå mekanismerna bakom inflammatoriska luftvägssjukdomar hos häst. Det här projektet var en pilotstudie där vi framgångsrikt har testat och optimerat en ny storskalig teknik för att studera genuttryck i tusentals enskilda immunceller i lungan. Principen är att ett mikrofluidiksystem används för att isolera enskilda celler i mycket små droppar i en emulsion. I dropparna frisätts cellens mRNA-molekyler som märks in med en cell-specifik ’barcode’. Cellernas genuttryck (transkriptom) sekvenseras sedan med sk massiv parallell sekvensering och sedan används bioinformatiska metoder för att rekonstruera varje cells genuttryck. Lungsköljprov från hästar med diagnosticerad astma samt från friska hästar har använts i studien. Genom att studera variation i genuttryck på individuell cellnivå har vi nu konstruerat ’cellulära kartor’ över sammansättningen av cellerna i luftvägarna på en mycket detaljerad nivå.
Med hjälp den här tekniken ska vi nu studera sammansättningen av celltyper i lungan vid hästens astma, identifiera tidigare okända varianter av celltyper som är specifikt involverade i den inflammatoriska processen samt cell-varianter som är karaktäristiska för svårare respektive mildare former av sjukdomen. Vi kommer även framgent använda tekniken för att studera hur genuttryck förändras på enskilda cellnivå efter behandling. Genom ökad kunskap om sjukdomens orsak och fortskridande och hur behandlingssvar ser ut på enskilda cellnivå kan man utveckla bättre diagnostik och mer individanpassade behandlingsstrategier och förebyggande åtgärder.