Acute Cytokine Responses to Inhaled Swine Confinement Building Dust

Abstract

Inhalation of swine house dust (swine dust) may cause an acute inflammatory reaction known as Organic Dust Toxic Syndrome (ODTS). The reaction does not require sensitisation and is associated with airway inflammation, general symptoms, and slight spirometric changes. The agents causing this reaction are not known. The purpose of this study was to investigate the release of pro-inflammatory cytokines in the airways and peripheral blood following acute exposure to swine dust, the correlation between markers for microbial contaminants in the dust, cytokine responses and health effects, and the release of those cytokines from an epithelial cell line (EP) and from human alveolar macrophages (AM) stimulated by swine dust and LPS. Healthy subjects, previously unengaged in farm work were exposed to swine dust for 3-4 hours. Interleukin (IL) -6, IL-1 receptor antagonist (ra) and tumour necrosis factor (TNF)-a in serum, and IL-1§ in peripheral blood mononuclear cell (PBMC) were measured prior to and after exposure. IL-1a, IL-1§, IL-6 and TNF-a were also measured in nasal lavage (NAL) fluid and bronchoalveolar lavage (BAL) before and after exposure. The time curves were done for IL-6, TNF-a and IL-1§. The mass of inhaled dust, the endotoxin concentration and two markers (muramic acid is a marker for total peptidoglycan content and 3-(OH)-fatty acid is a marker for total lipopolysaccharide content) for microbial exposure were quantified. Spirometry and a methacholine bronchial challenge were performed before and 7 h after exposure to swine dust. Granulocytes, monocytes, and lymphocytes were measured in blood with flow cytometry. NAL, BAL and PBMC cells were measured with colour stain. The oral temperature and general symptoms were recorded. Exposure to swine dust caused fever, headache, malaise, increased bronchial responsiveness, and a slight decrease in FEV1 and VC. IL-1ra, IL-6 and TNF-a increased significantly in serum, IL-1§ increased significantly in PBMC and plasma, IL-1, IL-6 and TNF-a increased significantly in BAL and NAL fluids. There was a marked influx of inflammatory cells, especially of granulocytes. In peripheral blood, TNF-a, IL-6 and IL-1§ increased and peaked during 3-5 h, 5-7 h and 3-7 h respectively, after the start of exposure. The leukocytes doubled and monocytes increased slightly 6-8 h after exposure. Endotoxin, muramic acid, and 3-OH fatty acid correlated significantly with increase in serum IL-6. Inhalable dust correlated with increase in serum IL-1ra, and endotoxin correlated with increase IL-1§ in PBMC. Endotoxin and 3-OH fatty acids also correlated significantly with the IL-6 increase in BAL. Bacterial markers showed better correlation with IL-6 changes than with total dust concentrations. LPS correlated with symptoms and with lung function changes. Peptidoglycan correlated with increase in blood granulocytes and body temperature. Swine dust caused a dose-dependent increase of IL-1§, IL-6 and TNF-a in AM. No increase of IL-1§ or TNF-a, but a clear increase in IL-6 was found in EP. LPS caused a clear increase in all three cytokines in AM, but none of the cytokines in EP. In conclusion, acute inhalation of dust contaminated with bacterial debris increased the concentration of pro-inflammatory cytokines in BAL, NAL, PBMC and peripheral blood. The changes in cytokines and inflammatory parameters correlated better with markers of bacterial contaminants than with total dust amounts. A marker for bacterial peptidoglycan showed better correlation with some changes than endotoxin did, suggesting that several bacterial constituents may play a role in ODTS. The results of in vitro tests suggest that swine dust activated a cytokine response in EP and AM. The EP had more a limited cytokine response profile than AM. In EP, swine dust is a more potent stimulus for cytokine release than LPS. Both cells can contribute to inflammatory reaction after inhalation of swine dust, and several agents including LPS may play an important role in cytokine release.

Inandning av svinhusdamm (svindamm) kan ge upphov till en akut inflammatorisk reaktion i form av allergisk alveolit och feberattacker(Organic Dust Toxic Syndrome, ODTS). Reaktionen förknippas med luftvägsinflammation, allmänna symptom och lätta spirometriska förändringar och kräver ingen föregående sensibilisering för att uppträda. Vilka ämnen som orsakar reaktionen är inte känt. Syftet med undersökningen var att undersöka frisättandet av inflammatoriska cytokiner i luftvägar och perifert blod som en följd av akut exponering för svindamm, korrelationen mellan markörer för kontaminanter i mikrobiellt damm, cytokinreaktion och hälsoeffekter, samt cytokinfrisättningen från en epitel cellinje (EP) och mänskliga alveolära makrofager (AM) som stimulerats av svindamm och LPS. Friska försökspersoner utan tidigare erfarenhet av arbete med djur exponerades för svindamm under 3 : 4 timmar. Före och efter exponeringen uppmättes interleukin (IL) -6, receptorantagonist IL-1 (ra), nekrosfaktorn för tumörer (TNF) -a i serum, samt IL-1§ i mononukleära celler från perifert blod (PBMC). Även IL-1a, IL-1§, IL-6 och TNF-a uppmättes i nasalt lavage (NAL) och bronkoalveolärt lavage (BAL) före och efter exponeringen. Tidskurvorna utfördes för IL-6, TNF-a och IL-1§. Massan för det inhalerade dammet bestämdes, samt endotoxin koncentrationen och två markörer för mikrobexponeringen (muraminsyra, som är en markör för totalinnehållet av peptidoglykan, och 3-(OH)-fettsyra, som är en markör för totalinnehållet av lipopolysackarider). Före exponeringen för svindammet, och 7 timmar efter, utfördes spirometri och en bronkial metakolintest. Granulocyter, monocyter och lymfocyter uppmättes i blodet med flödescytometri. NAL-, BAL- och PBMC-cellerna uppmättes med hjälp av färgning. Orala temperaturer och allmänna symptom antecknades. Exponering för svindamm orsakade feber, huvudvärk, lätt illamående, förhöjd bronkiell reaktivitet samt en liten minskning av FEV1 och VC. IL-1ra, IL-6 och TNF-a ökade signifikant i serum, IL-1§ ökade signifikant i PBMC och plasma, och IL-1, IL-6 och TNF-a ökade signifikant i BAL- och NAL-vätskor. Det fanns ett markant inflöde av inflammatoriska celler, i synnerhet granulocyter. TNF-a, IL-6 och IL-1§ ökade och nådde toppvärden i perifert blod inom loppet av 3-5 tim, 5-7 tim respektive 3-7 tim efter exponeringens början. Antalet leukocyter fördubblades och en måttlig ökning av antalet monocyter inträffade 6-8 tim efter exponeringen. Endotoxin, muraminsyra och 3-OH-fettsyra korrelerade signifikant med ökningen av serum IL-6. Respirabelt damm korrelerade med ökningen av serum IL-1ra och endotoxin korrelerade med ökningen för IL-1§ i PBMC. Endotoxin och 3-OH-fettsyror korrelerade också signifikant med ökningen av IL-6 i BAL. Bakteriella markörer visade bättre korrelation med förändringar för IL-6 än med totala dammkoncentrationer. LPS korrelerade med symptom och förändrade lungfunktioner. Peptidoglykan korrelerade med en ökning av blodgranulocyterna och kroppstemperaturen. Svindamm orsakade dosberoende ökningar av IL-1§, IL-6 och TNF-a i AM. Ingen ökning av IL-1§ eller TNF-a förekom, men en tydlig ökning av IL-6 konstaterades i EP. LPS orsakade en tydlig ökning av samtliga tre cytokineri AM, men inte för någon av cytokinerna i EP. Sammanfattningsvis kan sägas att akut inandning av bakteriellt förorenat damm ökade koncentrationen av inflammatoriska cytokiner i BAL, NAL, PBMC och perifert blod. Ändringar av cytokiner och inflammatoriska parametrar korrelerade bättre med markörer för bakteriella kontaminanter än med total dammängd. En markör för bakteriell peptidoglykan uppvisade bättre korrelation med vissa förändringar än vad endotoxin gjorde, vilket ger anledning förmoda att flera bakteriella komponenter kan ha betydelse för ODTS. Resultaten av in vitro-testerna talar för att svindamm aktiverade en cytokin respons i EP och AM. EP hade en mer begränsad cytokin responsprofil än AM. I EP är svindamm en mer potent stimulant för cytokinfrisättning än LPS. Båda cellerna kan bidra till inflammatoriska reaktioner efter inandning av svindamm, och flera av ämnena : inklusive LPS : kan vara viktiga faktorer för cytokinfrisättningen.