Severe asthma and secondary ciliary dyskinesia: clinical pathological correlations in trial with Tezepelumab

Background Asthma is a chronic airway disease characterized by chronic inflammation, bronchoconstriction and airway hyperresponsiveness. Although the airflow obstruction is usually reversibile, asthma is associated to airway remodeling characterized by ciliary dysfunction , qualitative and quantitative modifications in mucus secretion leading to the deposition of mucous plugs. It is known that ciliary dysfunction and ultrastructural abnormalities are a feature of moderate to severe asthma. Several biological therapies have been approved for asthma, but only one of them, Tezepelumab, targets the alarmins, epithelial cytokines acting on the first steps of the inflammatory cascade. Aims of the present study 1. To identify specific ultrastructural abnormalities in patients with severe asthma, both at baseline and after six months of treatment with Tezepelumab; 2. To compare the ultrastructural features observed in patients with severe asthma (at baseline and after six months of Tezepelumab therapy) with those of age- and sex-matched healthy control subjects; 3. To investigate the clinico-pathological correlations between ultrastructural alterations and clinical parameters before and after Tezepelumab treatment, as measured by the Asthma Control Test (ACT), Asthma Quality of Life Questionnaire (AQLQ), annualized asthma exacerbation rate (AAER), and changes in pulmonary function indices. Methods Patients with severe asthma were recruited from clinics at Cittadella Hospital, Padua, Italy, over a 1-year period (2023-2024). Healthy control subjects were recruited from hospital staff in UOC Cardiovascular Pathology, Padova. At the time of collection of nasal epithelial samples, patients with asthma had been free from intercurrent respiratory infections and asthma exacerbations requiring antibiotics for at least 6 weeks. Healthy subjects had no history of respiratory disease.Written informed consent was obtained from all subjects. Clinical improvements after 6 months treatment with Tezepelumab was investigated by ACT and AQLQ scores and reduction in annualized exacerbations rate (AAER) while respiratory function parameters were obtained by plethysmography. For ultrastructural analysis, briefly the samples were fixed in Karnovsky’s solution and then EPON resin-embedded, stained using uranyl acetate 5% and observed with a Hitachi H7800 (Hitachi, Tokyo, Japan) transmission electron microscope. The cilia were evaluated according to the International Guidelines for diagnosis of ciliary dyskinesia. Results Dyskinesia was higher in severe asthma patients (N=11) compared with controls (N= 6). The ultrastructure of the epithelium was abnormal in severe asthma with a reduction in ciliated cells, an increase in goblet and necrotic cells, compared with controls (P < 0.05). Patients with severe asthma showed increased ciliary depletion, microtubular defects, mitochondrial damage, and cytoplasmic blebbing (P < 0.05). All of these changes were related to disease severity. These abnormalities were milder after 6 months of treatment with Tezepelumab. Plethysmography tests showed a modest improvement in respiratory function while 6 months therapy with Tezepelumab led to consistent improvement in eosinophilic inflammation, symptoms control, quality of life and AAER. Conclusions Ciliary ultrastructural abnormalities are closely related to asthma severity. Only 6 months therapy with Tezepelumab showed significant clinical improvements and modest functional and pathological improvements, which are justified by asthma’s typical variability in some respiratory function parameters and by the short duration of the treatment. Longer follow up is mandatory to evaluate whether the treatment might rescue the epithelial barrier in patients with severe asthma.

Presupposti L’asma è una patologia cronica delle vie aeree, caratterizzata da infiammazione persistente, broncocostrizione e iperreattività bronchiale. Sebbene l’ostruzione del flusso aereo sia solitamente reversibile, l’asma è associata a un rimodellamento delle vie respiratorie, con disfunzione ciliare e alterazioni qualitative e quantitative della secrezione mucosa, con conseguente formazione di tappi mucosi. È noto che la disfunzione ciliare e le anomalie ultrastrutturali rappresentano una caratteristica dell’asma moderata-severa. Numerose terapie biologiche sono state approvate per il trattamento dell’asma, ma solo una, il Tezepelumab, agisce sulle allarmine, citochine epiteliali coinvolte nelle fasi precoci della cascata infiammatoria. Obiettivi 1.Identificare alterazioni ultrastrutturali specifiche nei pazienti affetti da asma grave, sia al basale che dopo sei mesi di trattamento con Tezepelumab;2.Confrontare le caratteristiche ultrastrutturali osservate nei pazienti con asma grave con quelle di controlli sani, appaiati per età e sesso;3.Analizzare le correlazioni clinico-patologiche tra le alterazioni ultrastrutturali e i parametri clinici, prima e dopo il trattamento con Tezepelumab, valutati mediante ACT,AQLQ, AAER e le variazioni degli indici di funzionalità respiratoria. Metodi 11 pazienti con asma grave sono stati reclutati presso l’Ospedale di Cittadella(2023–2024). I controlli sani sono stati selezionati tra il personale sanitario dell’UOC di Anatomia Patologica Cardiovascolare di Padova.Al momento del prelievo del campione epiteliale nasale, i pazienti asmatici erano liberi da infezioni respiratorie intercorrenti e da riacutizzazioni asmatiche che avessero richiesto terapia antibiotica e/o corticosteroidi sistemici di salvataggio da almeno 6 settimane. I soggetti sani non presentavano anamnesi positiva per patologie respiratorie. È stato ottenuto il consenso informato scritto da tutti i partecipanti. Il miglioramento clinico dopo 6 mesi di trattamento con Tezepelumab è stato valutato tramite i punteggi ACT(Asthma Control Test) e AQLQ(Asthma Quality of Life Questionnaire), nonché attraverso la riduzione del tasso annuo di riacutizzazioni(AAER).Per l’analisi ultrastrutturale, i campioni sono stati fissati in soluzione di Karnovsky, inclusi in resina EPON, colorati con acetato di uranile al 5% e osservati mediante microscopio elettronico a trasmissione Hitachi H7800. La valutazione delle ciglia è stata effettuata secondo le Linee Guida Internazionali per la diagnosi della discinesia ciliare. Risultati La discinesia ciliare era significativamente maggiore nei pazienti con asma grave(N = 11) rispetto ai controlli(N = 6).L’epitelio respiratorio presentava alterazioni ultrastrutturali nei pazienti con asma grave, con riduzione delle cellule ciliari e aumento delle cellule caliciformi e necrotiche rispetto ai controlli(p < 0,05).Nei pazienti asmatici si osservavano anche deplezione ciliare, difetti dei microtubuli, danni mitocondriali e blebbing citoplasmatico(p < 0,05),tutte alterazioni correlate con la gravità della patologia.Dopo 6 mesi con Tezepelumab, tali anomalie risultavano attenuate.I test pletismografici hanno mostrato un modesto miglioramento della funzionalità respiratoria, mentre il trattamento ha determinato un miglioramento significativo del controllo sintomatologico,della qualità di vita e dell'AAER. Conclusione Le anomalie ciliari ultrastrutturali risultano strettamente associate alla gravità dell’asma.Una terapia di soli 6 mesi con Tezepelumab ha prodotto miglioramenti clinici significativi, e miglioramenti funzionali e patologici modesti,giustificabili in parte dalla variabilità tipica dell’asma in alcuni parametri di funzionalità respiratoria e dalla breve durata del trattamento.Sarà necessario un follow-up più prolungato per valutare se il trattamento con Tezepelumab possa contribuire al ripristino della barriera epiteliale nei pazienti con asma grave.