29
University of Groningen Acetylcholine beyond bronchoconstriction: a regulator of inflammation and remodeling Kistemaker, Loes IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2015 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Kistemaker, L. (2015). Acetylcholine beyond bronchoconstriction: a regulator of inflammation and remodeling. [S.l.]: [S.n.]. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 10-03-2020

University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

University of Groningen

Acetylcholine beyond bronchoconstriction: a regulator of inflammation and remodelingKistemaker, Loes

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:2015

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Kistemaker, L. (2015). Acetylcholine beyond bronchoconstriction: a regulator of inflammation andremodeling. [S.l.]: [S.n.].

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 10-03-2020

Page 2: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

 

 

 

 

CHAPTER 1 

GENERAL INTRODUCTION 

Page 3: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

Preface 

The  objective  of  this  thesis  is  to  establish  the  role  of  acetylcholine  and  individual 

muscarinic  receptor  subtypes  in  inflammation  and  remodeling  of  the  airways. 

Inflammation and remodeling are two  important pathophysiological processes  in asthma 

and chronic obstructive pulmonary disease (COPD), affecting the decline  in  lung function 

and  severity  of  the  disease.  In  the  airways,  acetylcholine  acts  as  a  parasympathetic 

neurotransmitter,  but  also  as  an  autocrine  and/or  paracrine  hormone.  Muscarinic 

receptors are target receptors  for acetylcholine and muscarinic receptor antagonists are 

used  as  a  therapy  for  COPD,  and  to  a  lesser  extent  also  for  asthma.  Consequently,  a 

potential role for acetylcholine in inflammation and remodeling in COPD and asthma could 

have important therapeutic implications. 

 

Acetylcholine, a neurotransmitter and a hormone 

Acetylcholine – a neurotransmitter 

Acetylcholine  is  the  primary  parasympathetic  neurotransmitter  of  the  airways. 

Acetylcholine was detected by Otto Loewi and Sir Henry Dale in the early 1920s, for which 

they received the Nobel prize in 1936. As a neurotransmitter, acetylcholine is synthesized 

in nerve endings from the substrates choline and acetyl‐CoA by the enzyme choline acetyl 

transferase  (ChAT)  (1).  The  uptake  of  choline  from  the  extracellular  space  is  the  rate‐

limiting  step  in  this  process  (2).  Synthesized  acetylcholine  is  translocated  into  synaptic 

vesicles  via  the  vesicular acetylcholine  transporter  (VAChT), and  released by exocytosis. 

Exocytosis  is  triggered  by  a  depolarizing  stimulus  and modulated  by  several  regulatory 

mechanisms  in the neuroeffector  junction (1). This results  in the release of acetylcholine 

from airway parasympathetic nerve endings  in the extracellular space, where  it  interacts 

with  postsynaptic  target  receptors,  but  also with  presynaptic  receptors  on  cholinergic 

nerve  terminals  themselves.  Target  receptors  of  acetylcholine  include  muscarinic 

receptors  and  nicotinic  receptors,  which  will  be  introduced  in  more  detail  below. 

Acetylcholine  in  the  synaptic  cleft  is  rapidly  degraded  into  acetate  and  choline  by  the 

highly expressed enzyme acetylcholine esterase (AChE). Alternatively, acetylcholine can be 

degraded by butyrylcholinesterase (BChE) (1). Choline can be taken up again by the nerve 

for acetylcholine synthesis. The acetylcholine synthesis pathway in neurons is summarized 

in figure 1A, together with the non‐neuronal synthesis pathway, which will be elaborated 

on later. 

 

 

Page 4: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 9 

  

Figure 1. Schematic representation of acetylcholine synthesis, release, action and breakdown in neuronal cells at 

a  cholinergic nerve  terminal  (A) and  in non‐neuronal  cells,  such as epithelial  cells  (B).  In neurons,  there  is an 

efficient metabolism  of  acetylcholine  (ACh),  involving  the  high‐affinity  choline  transporter‐1  (CHT1),  choline 

acetyltransferase (ChAT), the vesicular ACh transporter (VAChT) and ACh release via exocytosis. Although some 

non‐neuronal  cells  also  express  these  components,  they  are  not  common  to  all  cell  types  and  probably 

alternative, less efficient, mechanisms predominate. Perhaps as a consequence, acetylcholine content is lower. In 

non‐neuronal  cells,  choline  is  taken up not only via CHT1, but also via  choline  transporter‐like proteins  (CTL), 

including  CTL1,  CTL2  and  CTL4.  Carnitine  acetyltransferase  (CarAT)  has  been  identified  as  an  alternative 

synthesizing enzyme of ACh. Organic cation transporters (OCT),  including OCT1 and OCT2, have been shown to 

transport ACh in and out of cells (3). MR: muscarinic receptor, NR: nicotinic receptor, AChE: acetylcholinesterase, 

BChE: butyrylcholinesterase. 

 

Airway nerves 

Airway  nerves  regulate many  aspects  of  airway  function.  One  of  the most  prominent 

effects is the regulation of airway smooth muscle tone, the neural component of which is 

almost solely controlled by the parasympathetic nervous system (4, 5). Although airways 

also  express  sympathetic  and non‐adrenergic, non‐cholinergic  (NANC) neural pathways, 

focus  of  this  thesis  is  on  the  parasympathetic  neural  pathway, which  is  the  dominant 

neural pathway in the airways and uses acetylcholine as a neurotransmitter. Airway vagal 

nerve  fibers  can  be  divided  into  three major  components:  the  primary  afferent  nerve 

fibers, the  integrating centers  in the brain and the parasympathetic efferent nerve fibers 

(see figure 2) (6). Afferent nerve fibers in the airways include stretch‐sensitive myelinated 

nerve fibers or A‐fibers, and unmyelinated C‐fibers (7). A‐fibers conduct action potentials 

Page 5: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

10 

at a relatively high velocity and consist of rapidly adapting receptors (RARs) in the mucosal 

layer, which respond to the dynamic phase of  inspiration, and slowly adapting receptors 

(SARs) in the smooth muscle layer, which respond to maintained inflation (7‐9). However, 

most  of  the  airway  afferent  nerves  are  unmyelinated  C‐fibers,  which  are  present 

throughout the airways and conduct action potentials at a much slower velocity compared 

to A‐fibers  (6, 10). C‐fibers  respond  to noxious  stimuli  such as heat, cold or mechanical 

forces,  but  also  to  mediators  released  upon  tissue  damage  and  inflammation  (7). 

Activation  of  these  C‐fibers  results  in  bronchoconstriction, mucus  secretion  and  cough 

(11). This can be a  local reflex  in the airways at the  level of the parasympathetic ganglia, 

which involves the release of peptide neurotransmitters, including substance P and other 

tachykinins, directly from the nerve terminals (12). Next to this local reflex, a central reflex 

arch  via  the  brain  stem  exists  (9).  Parasympathetic  efferent  nerve  fibers  consist  of 

preganglionic neurons, which innervate the parasympathetic ganglia in or near the airway 

wall of  larger airways, and postganglionic neurons  (6). Postganglionic neurons  innervate 

airway  smooth muscle, mucus  glands  and  the microvasculature  throughout  the  airway 

tree  (figure  2).  In  addition,  postganglionic  parasympathetic  neurons, which  do  not  use 

acetylcholine as a transmitter, exist. Instead, these NANC pathways use nitric oxide and/or 

neuropeptides  such  as  vasoactive  intestinal  peptide  as  a  transmitter,  and  are  in  fact 

bronchodilatory  (6).  However,  the  parasympathetic  cholinergic  nervous  system  is  the 

major neural regulator of airway smooth muscle tone (4, 9, 13). 

 

 

Figure  2.  The  vagal  nervous  system  in  the  airways.  Mechanical  forces,  inhaled  irritants  and  endogenous 

inflammatory mediators activate afferent nerve fibres, which send signals to the central nervous system (CNS). 

This  results  in  the  release of acetylcholine  (ACh)  in  the airways. Parasympathetic, post‐ganglionic neurons are 

located within the airway wall and innervate airway smooth muscle and submucosal glands to induce contraction 

and mucus secretion, respectively. Blue: afferent nerve fibers; red: efferent nerve fibers. RAR: rapidly adapting 

receptors; SAR: slowly adapting receptors. 

Page 6: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 11 

Acetylcholine ‐ a hormone 

During the last decades, it has become clear that acetylcholine production in the airways is 

not  only  restricted  to  the  nerves.  Bacteria,  algae,  protozoa,  tubellariae  and  primitive 

plants,  all  lacking  a  nervous  system,  express  acetylcholine.  This  suggests  an  early  and 

widely distributed  role of acetylcholine  (14).  Indeed, cells of higher organisms,  including 

cells  of  the  human  airway,  have  been  shown  to  produce  acetylcholine  (14,  15).  Thus, 

acetylcholine  can act as a  local  signaling molecule  in an autocrine or paracrine  fashion, 

which  is  referred  to  as  non‐neuronal  acetylcholine.  RNA  expression  of  ChAT  has  been 

detected  in almost all cell  types of  the airways,  including epithelial cells, airway smooth 

muscle cells and  inflammatory cells (16). Additionally, carnitine acetyltransferase (CarAT) 

has been detected as an alternative, albeit less efficient, route for acetylcholine synthesis 

in airway cells (2). In particular epithelial cells have been shown to express relatively high 

levels  of  acetylcholine  (17,  18),  and  the  epithelial  non‐cholinergic  system  has  been 

characterized  in detail  (2). Evidence  for the actual release of non‐neuronal acetylcholine 

from other airway cell types is still  limited (15). Part of the biosynthesis pathway of non‐

neuronal acetylcholine overlaps with  that used by  the neuronal  system; however,  clear 

differences exist, the former being  less efficient (2). For example, neurons use the highly 

efficient  CHT1  transporter  for  choline  uptake,  whereas  non‐neuronal  cells mainly  use 

choline transporter‐like proteins (CTLs) and organic cation transporters (OCTs) for choline 

uptake (2). In addition, in neurons, acetylcholine is stored and subsequently released from 

vesicles, whereas  in non‐neuronal cells acetylcholine  is mainly released directly via OCTs 

(2, 3) (figure 1B). As a consequence, acetylcholine levels seem to be lower in non‐neuronal 

cells compared to neuronal cells. The functional relevance of non‐neuronal acetylcholine 

in  the  airways  still  has  to  be  established  and  it  is  unclear  whether  non‐neuronal 

acetylcholine contributes to the classical cholinergic driven effects as described above (3). 

However,  the  concept  that  acetylcholine  is  not  only  a  neurotransmitter  but  also  a 

hormone has dramatically broadened the view on the role of acetylcholine in the airways, 

and  holds  therapeutic  promises  for  the  future, which will  be  further  elaborated  on  in 

chapter 2 (19‐21).  

Targets of acetylcholine 

Acetylcholine  can  act  via  two  different  classes  of  receptors,  namely  muscarinic  and 

nicotinic  receptors. Muscarinic  receptors are G‐protein coupled  receptors, characterized 

by a seven transmembrane domain (1). Five different subtypes have been identified (M1‐

M5), of which M1‐M3 receptors are expressed abundantly in the airways (1, 16, 21). Almost 

all  cell  types  in  the  airways  express muscarinic  receptors,  as discussed  in detail below. 

Activation of muscarinic receptors in the airways leads to bronchoconstriction and mucus 

secretion (21). Nicotinic receptors are  ligand gated  ion channels, which are comprised of 

Page 7: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

12 

one  to  five different  types of  subunits  (α,  β,  γ,  δ and  ε)  (1). Multiple different nicotinic 

receptor isotypes exist and at least ten different α‐subunits and four different β‐subunits 

have been  identified.  In  the airways, almost all cell  types express nicotinic  receptors  (1, 

15). Nicotinic receptors are involved in neurotransmission in the airways, and activation of 

nicotinic  receptors  causes  an  influx  of  positively  charged  ions,  leading  to  membrane 

depolarization (1, 22). The nicotinic α7 receptor is highly expressed on multiple cell types 

in  the  airways  and  plays  an  immunomodulatory  role  (15). Moreover,  the  nicotinic  α7 

receptor  is  thought  to  play  a  regulatory  role  in  lung  cancer  (23).  Current  therapy  for 

obstructive  airway  diseases,  however,  is  selectively  directed  to  muscarinic  receptors. 

Therefore, the focus of this thesis  is on muscarinic receptors, and nicotinic receptors will 

not be discussed in more detail here. 

 

Muscarinic receptors 

Expression of muscarinic receptors 

Expression  of muscarinic M1, M2  and M3  receptors  has  been  detected  in  the  airways. 

Although muscarinic  receptor antibodies have been proven not  to be very useful  in  the 

detection  of  subtype  specific  expression  of  muscarinic  receptors  because  of  lack  of 

specificity  (24,  25),  other  techniques,  including  binding  studies  and  gene  expression 

analyses, have elucidated the expression pattern of muscarinic receptors throughout the 

airways.  From  these  studies,  it  is  clear  that  M1  receptors  appear  to  be  expressed 

particularly in peripheral lung tissue, M2 receptors are expressed throughout the airways, 

whereas expression of M3 receptors is highest in the larger airways (1, 26). Almost all cells 

of  the  airways  express  muscarinic  receptors,  with  high  expression  on  airway  smooth 

muscle  cells,  epithelial  cells  and  submucosal  glands.  Moreover,  in  parasympathetic 

ganglia, M1 receptors are expressed, as well as autoinhibitory prejunctional M2 receptors 

(21,  22).  Expression  of muscarinic  receptors  per  cell  type,  and  their major  functional 

effects, are summarized in table 1. 

Signal transduction of muscarinic receptors 

Muscarinic receptors couple to heterotrimeric G proteins. G proteins are composed of an 

α‐, β‐ and γ‐subunit, and are classified according to the α‐subunit. Four different families 

have been identified: Gαs, Gαi/o, Gαq/11 and Gα12/13 (30, 31). M2 receptors couple primarily 

to  Gαi  and  M1  and  M3  receptors  couple  primarily  to  Gαq  (32).  Receptor  activation 

promotes  the exchange of  guanosine diphosphate  (GDP), bound  to  the  α‐subunit, with 

guanosine triphosphate (GTP). This will lead to dissociation of the α‐subunit from the βγ‐

heterodimer and subsequent activation of second messengers  (30). Activation of Gαi via 

M2 receptors results in inhibition of adenylyl cyclase (AC), which in turn inhibits the second 

Page 8: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 13 

messenger  cyclic AMP  (cAMP), and Gβγ mediated  inhibition of potassium  channels  (33, 

34). Activation of Gαq  via M1 and M3  receptors  results  in activation of phospholipase C 

(PLC).  PLC  converts  phosphatidylinositol‐4,5‐bisphosphate  (PIP2)  into  inositol  1,4,5‐

trisphosphate  (IP3)  and  diacylglycerol  (DAG).  IP3  induces  the  release  of  calcium  from 

internal endoplasmic reticulum stores, whereas DAG activates protein kinase C (PKC). The 

initial  calcium  release  is  followed  by  a  more  sustained  calcium  release  mediated  via 

ryanodine  receptors  on  the  endoplasmic  reticulum,  and  via  an  increase  in  the  open 

probability of calcium channels in the cell membrane, mediated via PKC (35). 

Functional roles in the airways 

Neurotransmission 

M1  receptors expressed  in parasympathetic ganglia  contribute  to neurotransmission, by 

facilitating  depolarization  via  inhibition  of  potassium  currents.  The  magnitude  of 

muscarinic depolarization may not be sufficient to initiate an action potential by itself, but 

rather  enhances  or  facilitates  nicotinic‐induced  depolarization  (1).  It  should  be  noted 

therefore  that  there  is  still  debate  about  the  functional  relevance  of  M1‐mediated 

neurotransmission (1). Evidence for the auto‐inhibitory role of prejunctional M2 receptors 

is more  convincing,  since M2  selective  antagonists  enhance  electrical  field  stimulation‐

induced  acetylcholine  release  from  guinea  pig  and  human  trachea  (36,  37).  The 

autoinhibitory M2 receptor is dysfunctional in asthma, which contributes to the enhanced 

cholinergic tone in this disease (16). No such mechanism has been observed in COPD (38). 

 

Table 1. Expression of muscarinic receptors on airway cells and their major effects (16, 27‐29). 

Cell  Muscarinic receptor 

expression 

Functional effect 

Neuron  M1, M2  Neurotransmission 

Airway smooth muscle cell  M2, M3  Bronchoconstriction via M3 

Epithelial cell  M1, M2, M3  Mucus secretion via M3 

Submucosal gland  M1, M3  Mucus secretion via M3 

Fibroblast  M1, M2, M3  Proliferation, ECM production 

Mast cell  M1, M3  Inhibition of histamine release 

Macrophage  M1, M2, M3  Cytokine production 

Lymphocyte  M1, M2, M3  Cytokine production 

Neutrophil  M1, M2, M3  Cytokine production 

Eosinophil  M1, M2, M3  ? 

 

   

Page 9: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

14 

Airway smooth muscle contraction 

Muscarinic  receptors  on  airway  smooth  muscle  mediate  airway  smooth  muscle 

contraction, and therefore play an  important role  in bronchoconstriction associated with 

COPD and asthma. Although M2 receptors represent the majority of muscarinic receptors 

expressed  on  airway  smooth  muscle,  airway  smooth  muscle  contraction  is  primarily 

mediated by M3 receptors  (39). This  is clear from affinity profiles of selective muscarinic 

antagonists  in  different  species,  including  humans  (16). Moreover,  the  introduction  of 

specific  muscarinic  receptor  subtype  deficient  animals  confirmed  that  this  is  an  M3‐

mediated  effect,  as  M3  receptor  deficient  mice  (M3R‐/‐),  and  not  M2R

‐/‐  mice,  lack 

methacholine and vagally‐induced bronchoconstriction in vivo (40).  

Mucus secretion 

Muscarinic  receptors  regulate  mucus  secretion  in  the  airways.  Mucus  secretion  is 

enhanced  in COPD and asthma, which  contributes  to airflow obstruction of  the airways 

(41). Mucus  is  secreted  by  airway  submucosal  glands, which  are  in  connection  to  the 

airway  lumen,  and  by  goblet  cells,  which  are  embedded  in  the  airway  epithelium. 

Submucosal  glands  are  innervated  by  parasympathetic  nerves  (see  also  figure  2),  and 

mucus  secretion  from  glands  is  under  cholinergic  control, mediated  via M3  receptors. 

Thus,  electrical  field  stimulation  increases  mucus  secretion  from  airway  preparations, 

which can be inhibited by the M3 antagonist 4‐DAMP (1,1‐Dimethyl‐4‐diphenylacetoxy‐pi‐ 

peridinium  iodide)  (42, 43). Acetylcholine  can  also  induce mucus  secretion  from  goblet 

cells,  again mediated primarily  via M3  receptors  (21,  41).  There  is  still  debate whether 

acetylcholine‐induced mucus secretion from goblet cells is mediated by neuronal or non‐

neuronal acetylcholine, or by a combination of both. M1 receptors are also expressed on 

epithelial  cells  and  submucosal  glands,  and mediate  electrolyte  and water  secretion  in 

cooperation with M3 receptors (21, 42). 

 

Vagal dysregulation 

Activity  of  the  neuronal  system  is  altered  in  disease,  including  asthma  and  COPD,  via 

several  mechanisms,  leading  to  exaggerated  acetylcholine  release  and  airway 

hyperresponsiveness (9, 13, 44). This can be via [1] changes in activity of afferent nerves, 

[2] changes  in synaptic  transmission and  [3] changes  in neurotransmitter content  in  the 

synaptic cleft. First, changes in activity of afferent nerves have been observed in response 

to inflammatory mediators, present in the airways of patients with COPD or asthma. This 

results  in enhanced release of acetylcholine from vagal nerve endings and an  increase  in 

cholinergic  tone  (6).  This  effect  can  be mediated  via  several  inflammatory mediators, 

including  histamine,  tachykinins,  prostaglandins  and  thromboxane  A2,  which  stimulate 

Page 10: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 15 

sensory  nerve  fibers  directly  (6,  45). Moreover,  epithelial  damage will  expose  afferent 

sensory  nerve  endings  in  the  subepithelial  layer  to  the  airway  lumen  (46).  Second, 

inflammation can also change synaptic transmission, by increasing synaptic efficacy and by 

increasing acetylcholine release, via the release of mediators including tachykinins, which 

interact with receptors on nerve terminals (6, 12). Moreover, autoinhibitory prejunctional 

M2  receptors,  which  limit  acetylcholine  release  under  healthy  conditions,  are 

dysfunctional  in  asthmatic  airways.  This  has  been  shown  in  animal models  of  allergen 

exposure, viral  infection and ozone exposure  (47), but also  in patients with asthma  (16, 

48). M2 receptor dysfunction is probably mediated via several mechanisms, but convincing 

evidence exists for the involvement of major basis protein. Major basic protein is secreted 

by eosinophils that are recruited to airway nerves, and acts as an allosteric antagonist for 

the M2 receptor (49). In support, treatment with an antibody against major basic protein 

prevents M2 receptor dysfunction  in guinea pigs  (50). Third, acetylcholine content  in the 

synaptic  cleft  is  altered.  In  part  this  is  due  to  dysfunctional M2  receptors  as  described 

above, but  it has  also been  shown  that  activity of AChE  is  reduced  in  tracheal  smooth 

muscle homogenates obtained  from  ragweed pollen‐sensitized dogs  compared  to  sham 

controls  (51).  Together,  this  results  in  enhanced  acetylcholine  concentrations  in  the 

synaptic cleft and prolonged effects on postjunctional target receptors.  

There  is  little  evidence  for  altered muscarinic  receptor  expression  in  asthma  or  COPD. 

Using  radioligand  binding  studies,  no  significant  changes  were  observed  in  affinity  or 

density of muscarinic receptors in the central or peripheral airways of patients compared 

to  healthy  controls  (52,  53).  Moreover,  until  now,  there  is  no  evidence  for  genetic 

polymorphisms of muscarinic receptors, as at least M2 and M3 receptors seem to be highly 

conserved, and no  significant differences between healthy and asthmatic  subjects were 

detected (54). 

Besides these acute effects on vagal nerves, there is also evidence for neural remodeling. 

Growth and development of airway nerves continues well into adolescence, and exposure 

to allergens might alter airway nerve structure (55). Pan et al. demonstrated that allergen 

exposure  in  guinea pigs  results  in  a  shift  from  a NANC phenotype, which does not use 

acetylcholine  as  a  neurotransmitter,  towards  a  cholinergic  phenotype  (56).  In  addition, 

alterations  in airway nerve  structure might  start very early  in  life, which may affect  the 

incidence of airway diseases later in life (57). A recent paper demonstrated that early‐life 

exposure of mouse neonates to ovalbumin leads to a two‐fold increase in airway smooth 

muscle innervation in adulthood (58). Furthermore, exposure of infant rhesus monkeys to 

ozone and/or house dust mite  results  in  changes  in airway  innervation  in  the epithelial 

region  (59). Thus, exposure  to allergen or environmental stress, either early  in  life or  in 

Page 11: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

16 

adulthood, may lead to dysregulated vagal innervation, and might thereby affect airways 

diseases. 

Although  most  of  these  studies  focus  on  asthmatic  airways,  evidence  suggests  that 

innervation is also altered in the airways of COPD patients (7). The inflammatory response 

in  the  airways  of  patients  with  COPD  might  trigger  acetylcholine  release  via  above 

described mechanisms. Moreover, altered breathing patterns and changes in gas tensions 

in patients with COPD activate RAR‐fibers and SAR‐fibers  (7), and  the ability of SARs  to 

respond  to  lung  inflation seems  to be be altered  in patients with COPD  (13). Therefore, 

dysregulation of vagal nerves, leading to an increased cholinergic tone, largely contributes 

to both COPD and asthma pathophysiology.  Strikingly,  increased  cholinergic  tone  is  the 

major reversible component of airflow limitation in COPD (60, 61). 

 

Muscarinic receptors in the treatment of COPD and asthma 

Therapeutic targets in COPD and asthma       

As described above, muscarinic receptors play a key role in regulating bronchoconstriction 

and mucus secretion, and cholinergic tone is increased in patients with COPD and asthma. 

For  these reasons, muscarinic receptors represent key therapeutic  targets  for COPD and 

asthma. Muscarinic  receptor  antagonists,  referred  to  as  anticholinergics,  have  already 

been used for centuries for the treatment of obstructive airway diseases. This started with 

the use of naturally occurring medicinal plants containing anticholinergic alkaloids such as 

atropine.  Fumes of  these medicinal plants were  inhaled,  and  later on even  smoked  via 

cigarettes, until the middle of the 20th century (62, 63). Since then, more safe and effective 

synthetic anticholinergics have been introduced to the market.  

Anticholinergics 

Ipratropium was  the  first synthetic anticholinergic  introduced  to  the market. Because of 

the quaternary ammonium structure, ipratropium is much safer compared to the natural 

occurring anticholinergic atropine. Atropine can easily pass the blood‐brain barrier leading 

to numerous side effects, which is prevented by the quaternary structure of ipratropium. 

The safety profile of  ipratropium  is further enhanced by applying the drug via  inhalation, 

thereby  limiting  systemic  exposure.  Besides  dry  mouth,  ipratropium,  but  also  other 

anticholinergics,  have  limited  side  effects  (64).  Thereafter,  oxitropium was  introduced. 

Both drugs have relatively short durations of action (4‐8 hours), and there was a need for 

long‐acting anticholinergics. Tiotropium  is the  first  long‐acting anticholinergic  introduced 

to the market in the early 2000s. Tiotropium has been shown to be a potent muscarinic  

Page 12: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 17 

Table 2. Binding affinity and half‐life time at the M1, M2 and M3 receptor for the different anticholinergics against 

human M1, M2 and M3 receptors.   

  Binding affinitiy (‐log M)  t1/2 (h) 

M1R  M2R  M3R  M1R  M2R  M3R 

Ipratropium  9.40  9.53  9.58  0.1  0.03  0.22 

Tiotropium  10.80  10.69  11.02  10.5  2.6  27 

Aclidinium  10.78  10.68  10.74  6.4  1.8  10.7 

Glycopyrronium  10.09  9.67  10.04  2.0  0.37  6.1  

Binding affinity was determined  in heterologous competition experiments against  [3H]NMS. Data represent pKi 

values of at least three independent experiments performed in triplicate and the standard error was 0.1 or less. 

Dissociation half‐life was determined by the dissociation constants, by analyzing competition kinetics curves  in 

the presence of  [3H]NMS and different  concentrations of antagonist. At  least  three  independent experiments 

were performed in triplicate. Data from Casarosa et al (66). 

 

receptor antagonist; the affinity of tiotropium for muscarinic receptors  is around 10‐fold 

higher  compared  to  ipratropium.  However,  onset  of  action  is  slower  compared  to 

ipratropium  (65).  Although  the  steady‐state  affinity  of  tiotropium  for M1, M2  and M3 

receptors  is  similar, dissociation  from  the M3  receptor  is much  slower compared  to  the 

other receptor subtypes, in particular compared to M2 receptors (table 2) (66, 67). Used as 

a bronchodilator, this is a desired property, since inhibition of M3 receptors inhibits airway 

smooth  muscle  contraction,  whereas  antagonizing  M2  receptors  would  enhance 

acetylcholine release and thereby enhance airway smooth muscle contraction. Moreover, 

this  long  duration  of  action  at  the  M3  receptor  allows  for  once  daily  dosing.  Slow 

dissociation of tiotropium from the M3 receptor is attributed to interactions at the binding 

site, which prevents rapid dissociation via a snap‐lock mechanism (68). Recently,  inhaled 

glycopyrronium  and  aclidinium were  also  introduced  to  the market.  As  becomes  clear 

from  table 2,  like  tiotropium, glycopyrronium and aclidinium are kinetically selective  for 

the M3 receptor, and similarly, there is no difference in affinity of both drugs for individual 

muscarinic  receptors. However,  the dissociation half‐life  from  the M3  receptor of  these 

compounds  is smaller compared  to  tiotropium  (66). Glycopyrronium  is given once daily, 

whereas  aclidinium  is  given  twice  daily.  Several  new  anticholinergics  have  recently 

reached  the market,  as well  as  combinations  of  long‐acting  anticholinergics with  long‐

acting β2‐agonists and/or corticosteroids (69).  

Use of anticholinergics in COPD               

In  COPD,  anticholinergics  represent  a  first‐line  of  treatment  according  to  the  Global 

Initiative  for  Chronic  Obstructive  Lung  Disease  (GOLD)  guidelines  (70).  Long‐acting 

anticholinergics  and  long‐acting  β2‐agonists  are  the  most  frequently  prescribed 

bronchodilators  for  COPD  treatment.  Anticholinergics  have  a  particular  value  in  the 

Page 13: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

18 

treatment of COPD because they block the increased cholinergic tone, which is the major 

reversible component of the disease (60, 61). The first randomized controlled clinical trial 

into  the efficacy and  safety of  tiotropium  in patients with COPD was published  in 2000 

(71).  In  this  study,  tiotropium  was  compared  to  ipratropium.  Both  tiotropium  and 

ipratropium  induced an  increase  in  lung  function over a 13 week period, and  the  long‐

acting  tiotropium  was  more  effective  compared  to  the  short‐acting  ipratropium.  The 

safety profile of both drugs was similar  (71). Since then, a number of studies have been 

undertaken, of which the UPLIFT (Understanding Potential Long‐term Impacts on Function 

with Tiotropium) trial was the most extensive study. In this study, a total of 5993 patients 

were  randomly assigned  to placebo or  tiotropium, and  followed  for 4 years. Tiotropium 

significantly  improved  lung  function  and  quality  of  life,  and  reduced  the  number  of 

exacerbations compared to placebo. Tiotropium did not alter the rate of decline in forced 

expiratory  volume  in  1  second  (FEV1)  (72). More  recently,  new  anticholinergics  were 

introduced,  including  glycopyrronium  and  aclidinium.  Glycopyrronium  (NVA237)  was 

shown  to  improve  lung  function, quality of  life and dyspnoea, and  to  reduce  the  risk of 

exacerbations compared to placebo in patients with moderate to severe COPD (73), with 

efficacy comparable  to  tiotropium  (74). Similarly, aclidinium was shown  to  improve  lung 

function, quality of  life and dyspnoea compared to placebo  in moderate to severe COPD 

patients (75, 76), which was comparable to the effects of tiotropium over a 15 day period 

(77). Fixed‐dose  combinations of  several  long‐acting anticholinergics and  long‐acting  β2‐

agonists are currently under development or have recently reached the market, and large 

trials  are  evaluating  the  efficacy  and  safety  of  fixed‐dose  combinations  (35,  78).  First 

evidence  suggests  that  the  fixed‐dose  combinations  of  tiotropium  and  olodaterol  (79), 

glycopyrronium  and  indacaterol  (80,  81),  aclidinium  and  formoterol  (82,  83),  and 

umeclidinium and vilanterol (84, 85) are more effective than monotherapy. 

Use of anticholinergics in asthma               

In asthma,  the use of anticholinergics  is  limited  to  the  treatment of exacerbations, and 

anticholinergics are not approved for chronic treatment (86). Short‐acting anticholinergics 

have a significant but small effect on peak expiratory flow  (PEF) compared to placebo  in 

patients with stable asthma  (87). The effects of short‐acting anticholinergics are smaller 

than the effects of short‐acting β2‐agonists in patients with asthma (64, 87). According to 

the Global Initiative for Asthma (GINA) guidelines, ipratropium can be used in stable state 

as an alternative bronchodilator to short‐acting β2‐agonists, but is usually less effective. In 

case of an exacerbation, the addition of a short‐acting anticholinergic to the short‐acting 

β2‐agonists is recommended (86). More recently, clinical trials into the effects of the long‐

acting anticholinergic tiotropium on lung function in patients with asthma have started. In 

one  of  the  first  studies,  Peters  et  al.  demonstrated  that  the  addition  of  tiotropium  to 

Page 14: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 19 

glucocorticoid therapy in patients with mild to moderate asthma was more effective than 

doubling  of  the  glucocorticoid  dose  by  means  of  morning  peak  expiratory  flow,  the 

proportion of asthma‐control days, FEV1 and daily symptom scores, and very similar to the 

effects of adding salmeterol (88). Moreover,  it was shown  in a phase 2 study  in patients 

with  severe  uncontrolled  asthma  that  addition  of  tiotropium  to  standard  therapy with 

inhaled corticosteroids and long‐acting β2‐agonists improved lung function over an 8 week 

period  (89).  These  findings  were  confirmed  by  two  replicate  phase  3  randomized 

controlled  trials  involving  912  severe  asthma  patients  over  a  period  of  48  weeks. 

Tiotropium induced bronchodilation on top of the use of inhaled corticosteroids and long‐

acting  β2‐agonists.  Furthermore,  tiotropium  reduced  exacerbations  and  episodes  of 

worsening  of  asthma  (90).  Two  phase  2  studies  in  patients  with moderate  persistent 

asthma  demonstrated  that  tiotropium  can  also  induce  bronchodilation  in  this  patient 

group, on top of the use of corticosteroids (91, 92). These results have been confirmed in 

two  large replicate phase 3 trials  in 2100 patients with uncontrolled asthma on medium 

dose  corticosteroids,  of which  the  results  have  only  been  presented  as  abstracts  (93). 

Tiotropium  induced  sustained  bronchodilation  after  24  weeks,  accompanied  by 

improvements  in asthma control, all very similar to salmeterol  (93). Together these data 

indicate  that  asthma  patients  might  benefit  from  addition  of  tiotropium  to  standard 

therapy.  

   

Regulation of inflammation and remodeling by muscarinic receptors 

COPD  and  asthma  are  associated with  airway  inflammation  and  remodeling.  Increasing 

evidence  suggests  a  role  for  acetylcholine  in  inflammation  and  remodeling  in  both 

obstructive airway diseases (16, 21). This suggests that the role of acetylcholine in patients 

with COPD or asthma might be much broader than previously appreciated.  

Inflammation and remodeling in COPD 

COPD  is  associated  with  persistent  inflammation  and  remodeling  of  the  airways. 

Inflammation  is  present  throughout  the  airways  (94),  and  the  degree  of  inflammation 

correlates to the severity of the disease (95). Upon inhalation of cigarette smoke, which is 

the  main  risk  factor  for  COPD,  epithelial  cells  are  activated  and  macrophages  are 

attracted,  resulting  in  the  release  of  chemotactic  factors. Macrophages  are  thought  to 

orchestrate  the  inflammatory  response  in  COPD  (96).  Amongst  others,  macrophages 

release  CC‐chemokine  ligand  2  (CCL2),  also  known  as  monocyte  chemotactic  protein 

(MCP1), to attract more monocytes to the  lung, and CXC‐chemokine  ligand (CXCL)‐1 and 

CXCL‐8,  to attract neutrophils  (94, 96). Moreover, both macrophages and epithelial cells 

release CXCL9, CXCL10 and CXCL11, which attract T‐cells to the lung (94, 97). In COPD, T‐

Page 15: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

20 

cells  are mainly  T‐helper  type  1  (TH1)  and  type  1  cytotoxic  T  (TC1)  CD8+  cells  (94).  The 

inflammatory response  is thought to contribute to the remodeling of the airways, by the 

release  of  TGF‐β  and  proteases  such  as matrix metalloproteinase  9  (MMP9)  (94,  98). 

Fibrosis, by means of peribronchiolar deposition of extracellular matrix proteins, mainly 

occurs around the small airways, and is an important factor contributing to the irreversible 

airway narrowing observed in COPD (99). Moreover, alveolar walls in the lung parenchyma 

are destructed due to the chronic inflammation, which is called emphysema. Emphysema 

results  in enlargement of parenchymal airspaces and  loss of elastic recoil, and  is a major 

contributor to morbidity and mortality in COPD (100, 101). Remodeling of the epithelium 

also  occurs,  leading  to  squamous  and mucous metaplasia  (100).  Together with mucus 

gland hypertrophy, this  leads to mucus hypersecretion  in patients with COPD (102, 103). 

Remodeling of the airways starts later in life in patients with COPD, but is progressive and 

irreversible, and is the major contributor to the decline in lung function (100).  

Inflammation and remodeling in asthma 

Like  COPD,  asthma  is  characterized  by  airway  inflammation  and  remodeling. However, 

there  are marked  differences  between  the  pattern  of  inflammation  and  remodeling  in 

asthma compared to COPD. In asthma, inflammation and remodeling is mainly present in 

the  larger  conducting  airways. Depending on  the  severity of disease,  small  airways  can 

also be affected, however, the lung parenchyma is generally not affected in most patients 

with  asthma  (94).  The  nature  of  the  inflammation  and  the  cell  types  involved  in  the 

inflammatory  response  in  asthma  are  different  compared  to  COPD.  Upon  allergen 

challenge, which is the main trigger for an inflammatory response in allergic asthma, mast 

cells are activated. Mast cells release bronchoconstricting agents, including histamine and 

lipid mediators. Moreover, CD4+ T‐helper  type 2  (TH2)  cytokines  IL‐4,  IL‐5  and  IL‐13 are 

released  by mast  cells  (94,  97).  In  addition  to mast  cells,  TH2  cells  also  release  these 

cytokines, and TH2 cells play a central role  in orchestrating the  inflammatory response  in 

asthma  (94).  IL‐4  release  stimulates  B  cells  to  synthesize  IgE,  the  driver  of  allergic 

inflammation  that  binds  to  high‐affinity  Fc  receptors  for  IgE  (FcεRI)  on mast  cells.  The 

release  of  IL‐5  attracts  eosinophils,  whereas  the  release  of  IL‐13  contributes  to  an 

enhancement of airway hyperresponsiveness and an increase in goblet cell number (104, 

105). There  is also an  increase  in  the size of submucosal glands  (106), and  together  this 

leads to excessive mucus production. Enhanced mucus secretion significantly contributes 

to airflow limitation in asthma by obstructing the airways (41, 107). Furthermore, there is 

thickening  of  the  basement‐membrane,  as  a  result  of  collagen  deposition  under  the 

epithelium,  and  thickening  of  the  airway  smooth  muscle  layer,  as  a  result  of  airway 

smooth muscle hyperplasia and hypertrophy (100). The former is observed in all patients 

with asthma, whereas the latter is mainly observed in patients with severe asthma (108). 

Page 16: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 21 

Airway  smooth  muscle  thickness  is  related  to  severity  of  the  disease,  but  not  to  its 

duration,  since  airway  smooth  muscle  thickening  is  already  present  in  children  with 

asthma  (109, 110). Pulmonary  vascular  remodeling and  increased angiogenesis are also 

observed,  which  is mediated  by  various  angiogenic  proteins,  including  several  growth 

factors, like vascular endothelial growth factor (VEGF) (100, 111). Structural changes in the 

airways  of  patients  with  asthma  are  considered  an  important  component  of  airflow 

limitation and may accelerate the decline in lung function (112, 113).  

Muscarinic receptor regulation of inflammation and remodeling 

Increasing  evidence  suggests  a  role  for  acetylcholine  in  regulating  airway  inflammation 

and remodeling. From in vitro studies it is known that muscarinic receptor stimulation can 

enhance  the  release  of  cytokines  from  inflammatory  cells  and  structural  cells  of  the 

airways,  either  alone or  in  concerted  action with  stimuli  including  cigarette  smoke  and 

growth  factors.  Moreover,  acetylcholine  has  been  shown  to  enhance  remodeling 

parameters  in vitro. Thus, muscarinic receptor stimulation of airway smooth muscle cells 

and fibroblast enhances proliferation and the production of extracellular matrix proteins 

(16, 21). This  is  further  supported by evidence  from  in vivo  studies, demonstrating  that 

airway  inflammation and  remodeling  can be  inhibited by anticholinergic  intervention.  It 

has  been  shown  that  cigarette  smoke‐induced  inflammation  in mice,  and  LPS‐induced 

inflammation and remodeling in guinea pigs can be inhibited by tiotropium, indicating the 

potential  relevance  of  anticholinergic  treatment  for  patients with  COPD  (114,  115).  In 

addition, allergen‐induced inflammation and remodeling can be inhibited by tiotropium in 

both mice and guinea pigs, indicating the potential relevance of anticholinergic treatment 

for  patients  with  asthma  (116‐118).  The  role  of  acetylcholine  in  inflammation  and 

remodeling is extensively reviewed in chapter 2, and will therefore not be elaborated on 

in more detail here.  

Clinical implications 

As briefly described above and reviewed in chapter 2, there is convincing evidence from in 

vitro and in vivo animal studies that acetylcholine contributes to airway inflammation and 

remodeling. This might be  relevant  for patients with COPD and asthma, especially since 

acetylcholine  release  is enhanced  in  these disease  states. However,  this hypothesis  still 

needs  to  be  proven  by  clinical  studies  investigating  the  effect  of  acetylcholine  or 

anticholinergic  therapy  on  airway  inflammation  and  remodeling.  In  the  UPLIFT  study, 

COPD patients treated with tiotropium for 4 years showed improvements in lung function, 

quality  of  life  and  exacerbation  frequency  (72).  The  latter  might  suggest  an  anti‐

inflammatory  effect  of  tiotropium,  as  the  inflammatory  response  is  enhanced  during 

exacerbations, with  increased  expression  of  pro‐inflammatory  cytokines,  including  IL‐8 

Page 17: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

22 

(119, 120). However, Powrie et al. were not able to demonstrate a reduction in sputum IL‐

6 or IL‐8 levels after tiotropium use for one year, even though the exacerbation frequency 

was reduced (121). In this study, tiotropium reduced the amount of sputum, which might 

result in a concentration of cytokines in the sputum of patients treated with tiotropium, as 

proposed by the authors to explain this discrepancy. Therefore, further studies are needed 

to elucidate the mechanism by which tiotropium reduces the number of exacerbations in 

patients  with  COPD  and  whether  a  direct  anti‐inflammatory  effect  of  tiotropium  is 

involved. Structural changes in the airways of COPD patients may accelerate the decline of 

lung  function.  Initially,  it was  thought  that  tiotropium might affect  this process,  since a 

retrospective study suggested that the use of tiotropium was associated with a reduction 

in decline of lung function after 1 year (122). However, this was not replicated in the large, 

prospective  UPLIFT  trial,  in  which  no  significant  effect  on  the  rate  of  decline  in  lung 

function  was  observed  in  the  overall  study  population  (72).  Pre‐specified  post‐hoc 

subgroup  analysis  revealed  that  tiotropium  did  inhibit  the  accelerated  decline  in  lung 

function  in  young  patients  and  in  patients  with  moderate  disease  (123,  124).  Future 

studies  are needed  to understand  the effects of  tiotropium on  lung  function decline  in 

patients with COPD in these subgroups.  

Recently,  clinical  studies  into  the  effects  of  tiotropium  in  patients  with  asthma  have 

started. Addition of tiotropium to standard therapy for severe asthma patients with long‐

acting  β‐agonists  and  corticosteroids  increased  the  time  to  the  first  exacerbation  and 

reduced the risk of a severe exacerbation (90). Moreover, it has been shown that repeated 

inhalation of the muscarinic receptor agonist methacholine induces airway remodeling in 

mild  asthma  patients  (125).  This  suggests  that  acetylcholine  might  also  affect  airway 

inflammation  and  remodeling  in  patients  with  asthma,  but  clearly  more  studies  are 

needed  to  further  elucidate  the  effects  of  acetylcholine  or  anticholinergic  therapy  on 

airway inflammation and remodeling in patients with asthma. 

 

Scope of the thesis                 

The above mentioned  findings  suggest  that acetylcholine  is not only a neurotransmitter 

involved  in bronchoconstriction and mucus secretion  in the airways, but might also be a 

mediator of airway  inflammation and  remodeling, which possibly  involves non‐neuronal 

acetylcholine. This will have  implications  for  therapy of obstructive airways diseases  like 

COPD and asthma,  in which muscarinic antagonists are  frequently used. This  thesis will 

further elucidate  the  role of acetylcholine  in  inflammation and  remodeling  in COPD and 

asthma. Specifically, the aim of this thesis is to investigate the role of individual muscarinic 

Page 18: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 23 

receptor  subtypes,  as  well  as  the  contribution  of  neuronal  versus  non‐neuronal 

acetylcholine, to airway inflammation and remodeling in COPD and asthma. 

Chapter 2 provides a comprehensive review on the regulation of airway inflammation and 

remodeling  in  COPD  and  asthma  by  muscarinic  receptors.  In  addition,  therapeutic 

implications  of  muscarinic  receptor  regulation  of  inflammation  and  remodeling  are 

discussed. 

The  following  chapters deal with  the  role of  acetylcholine  in  inflammation  in COPD. As 

stated  above,  there  is  evidence  for  a  pro‐inflammatory  role  of  acetylcholine  in 

inflammation. However, it is not known which individual muscarinic receptor subtypes are 

involved  in this response. There  is a focus for anticholinergics on M3 receptor selectivity, 

because of involvement of this receptor subtype in bronchoconstriction, however, there is 

no evidence that the pro‐inflammatory effects of acetylcholine are also mediated via this 

receptor subtype. Therefore,  in chapter 3, we  investigated the contribution of  individual 

muscarinic  receptor  subtypes  to  cigarette  smoke‐induced  inflammation.  Because  of 

limited  selectivity  of  available  muscarinic  receptor  antagonists,  muscarinic  receptor 

subtype specific knock‐out animals were used.  In this way, the contribution of  individual 

muscarinic  receptors  can be  investigated  in  detail.  Knock‐out  animals were  exposed  to 

cigarette smoke for four days and the inflammatory response in the airways was analyzed. 

The  contribution  of  the  M3  receptor  to  cigarette  smoke‐induced  inflammation  was 

investigated  in more detail  in  chapter  4. As discussed  above, practically  all  cells  in  the 

airways express muscarinic receptors.  It  is not known which cell  types contribute  to  the 

pro‐inflammatory  effect  of  the M3  receptor  as  described  in  chapter  3.  To  distinguish 

between effects of structural cells and inflammatory cells, bone marrow chimeric animals 

were generated and exposed to cigarette smoke, using a similar protocol as described  in 

chapter 3. In this way, the contribution of structural cells versus inflammatory cells to the 

pro‐inflammatory effect of the M3 receptor can be defined.  

In chapter 5, we  further elucidated  the role of acetylcholine  in  inflammation  in patients 

with COPD. In this chapter, we investigated the effects of targeted lung denervation (TLD) 

on inflammation in patients with COPD. TLD is a novel potential therapy for patients with 

COPD,  in  which  parasympathetic  airway  nerves  are  ablated  by  locally  applying  radio‐

frequency  energy  in  the  main  bronchi  using  bronchoscopy,  to  inhibit  acetylcholine‐

induced  bronchoconstriction.  We  hypothesized  that  TLD  would  also  inhibit  airway 

inflammation. Specifically, we studied whether TLD affects inflammatory cell number and 

pro‐inflammatory cytokine expression in bronchial wash fluid and gene expression of pro‐

inflammatory cytokines in bronchial brush specimen. 

Page 19: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

24 

The second half of the thesis  is focused on the role of acetylcholine  in  inflammation and 

remodeling  in asthma. As  is described above for COPD,  it  is not known which muscarinic 

receptor subtypes mediate inflammation and remodeling in asthma. Therefore, in chapter 

6,  we  investigated  the  effects  of  individual muscarinic  receptor  subtypes  on  allergen‐

induced  inflammation and remodeling. To  this aim, muscarinic receptor subtype specific 

knock‐out animals were exposed  to ovalbumin, and  lungs were collected  for analysis of 

inflammation and remodeling.  

Increasing evidence suggests that airway remodeling might not only be a consequence of 

inflammation, but might also or alternatively be a  consequence of bronchoconstriction, 

which  triggers  TGF‐β  release  via  biomechanical  activation.  In  chapter  7,  we  aimed  to 

investigate  the  effect  of  TGF‐β  and  bronchoconstriction  on  remodeling,  and  the 

involvement of the M3 receptor in this response, by using murine precision cut lung slices 

(PCLS). TGF‐β was used to induce remodeling in PCLS from wild‐type animals. In addition, 

PCLS were stimulated with methacholine, to investigate the effect of bronchoconstriction 

on  remodeling.  Moreover,  PCLS  from  M3R‐/‐  mice,  in  which  bronchoconstriction  is 

abolished, were exposed  to TGF‐β and methacholine,  to  investigate  the  involvement of 

the M3 receptor in this response. After two days, expression of remodeling parameters, as 

well as the functional impact on bronchoconstriction, was analyzed.  

In  chapter 8, we  investigated  the effects of endogenous non‐neuronal acetylcholine on 

epithelial  cell  differentiation.  There  is  evidence  from  in  vivo  studies which  suggests  an 

indirect role  for acetylcholine  in epithelial cell differentiation and goblet cell metaplasia. 

Here, we aimed to investigate direct effects of endogenous non‐neuronal acetylcholine on 

epithelial cell differentiation and possible mechanisms  involved. Human airway epithelial 

cells were  isolated  from  healthy  donors  and  cultured  at  an  air‐liquid  interface. During 

differentiation at the air‐liquid interface, cells were exposed to tiotropium, to investigate 

the effects of acetylcholine on epithelial cell differentiation following air exposure, and to 

IL‐13 and  tiotropium,  to  investigate  the effects of acetylcholine on  IL‐13‐induced goblet 

cell metaplasia. 

Finally, in chapter 9, the results of this thesis are summarized and discussed. Perspectives 

for future studies are provided. 

   

Page 20: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 25 

References 

(1)  Racke  K, Matthiesen  S.  The  airway  cholinergic  system:  physiology  and  pharmacology.  Pulm 

Pharmacol Ther 2004;17:181‐198.  

(2) Kummer W, Lips KS, Pfeil U. The epithelial cholinergic system of the airways. Histochem Cell Biol 

2008;130:219‐234.  

(3) Kummer W, Krasteva‐Christ G. Non‐neuronal  cholinergic airway epithelium biology. Curr Opin 

Pharmacol 2014;16C:43‐49.  

(4) Colebatch HJ, Halmagyi DF. Effect of Vagotomy and Vagal Stimulation on Lung Mechanics and 

Circulation. J Appl Physiol 1963;18:881‐887.  

(5) Widdicombe JG, Nadel JA. Airway Volume, Airway Resistance, and Work and Force of Breathing: 

Theory. J Appl Physiol 1963;18:863‐868.  

(6) Undem B, Myers A. Cholinergic and noncholinergic parasympathetic  control of airway  smooth 

muscle.  In:  Zaagsma  J, Meurs H  and Roffel AF,  editors. Muscarinic  receptors  in  airways diseases. 

Basel: Birkhauser; 2001. p. 1‐‐24.  

(7) Undem BJ, Kollarik M. The role of vagal afferent nerves in chronic obstructive pulmonary disease. 

Proc Am Thorac Soc 2005;2:355‐60; discussion 371‐2.  

(8) Sant'Ambrogio G, Widdicombe J. Reflexes from airway rapidly adapting receptors. Respir Physiol 

2001;125:33‐45.  

(9) Undem BJ, Carr MJ. The role of nerves in asthma. Curr Allergy Asthma Rep 2002;2:159‐165.  

(10) Agostoni E, Chinnock JE, De Daly MB, Murray JG. Functional and histological studies of the vagus 

nerve and its branches to the heart, lungs and abdominal viscera in the cat. J Physiol 1957;135:182‐

205.  

(11) Coleridge JC, Coleridge HM. Afferent vagal C fibre innervation of the lungs and airways and its 

functional significance. Rev Physiol Biochem Pharmacol 1984;99:1‐110.  

(12) Verhein KC, Fryer AD,  Jacoby DB. Neural control of airway  inflammation. Curr Allergy Asthma 

Rep 2009;9:484‐490.  

(13)  Canning  BJ,  Fischer  A.  Neural  regulation  of  airway  smooth  muscle  tone.  Respir  Physiol 

2001;125:113‐127.  

(14)  Wessler  I,  Kirkpatrick  CJ,  Racke  K.  The  cholinergic  'pitfall':  acetylcholine,  a  universal  cell 

molecule in biological systems, including humans. Clin Exp Pharmacol Physiol 1999;26:198‐205.  

(15) Wessler I, Kirkpatrick CJ. Acetylcholine beyond neurons: the non‐neuronal cholinergic system in 

humans. Br J Pharmacol 2008;154:1558‐1571.  

(16) Gosens R, Zaagsma J, Meurs H, Halayko AJ. Muscarinic receptor signaling in the pathophysiology 

of asthma and COPD. Respir.Res. 2006;7:73.  

(17) Klapproth H, Reinheimer T, Metzen J, Munch M, Bittinger F, Kirkpatrick CJ, Hohle KD, Schemann 

M, Racke K, Wessler I. Non‐neuronal acetylcholine, a signalling molecule synthezised by surface cells 

of rat and man. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 1997;355:515‐523.  

(18) Proskocil BJ, Sekhon HS, Jia Y, Savchenko V, Blakely RD, Lindstrom J, Spindel ER. Acetylcholine is 

an  autocrine or paracrine hormone  synthesized  and  secreted by  airway bronchial epithelial  cells. 

Endocrinology 2004;145:2498‐2506.  

Page 21: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

26 

(19)  Gwilt  CR,  Donnelly  LE,  Rogers  DF.  The  non‐neuronal  cholinergic  system  in  the  airways:  an 

unappreciated regulatory role in pulmonary inflammation? Pharmacol Ther 2007;115:208‐222.  

(20) Pieper MP. The non‐neuronal  cholinergic  system as novel drug  target  in  the airways.  Life Sci 

2012;91:1113‐1118.  

(21)  Kistemaker  LE,  Oenema  TA,  Meurs  H,  Gosens  R.  Regulation  of  airway  inflammation  and 

remodeling by muscarinic receptors: perspectives on anticholinergic  therapy  in asthma and COPD. 

Life Sci 2012;91:1126‐1133.  

(22)  Racke  K,  Juergens  UR, Matthiesen  S.  Control  by  cholinergic mechanisms.  Eur  J  Pharmacol 

2006;533:57‐68.  

(23) Schuller HM. Regulatory role of the alpha7nAChR in cancer. Curr Drug Targets 2012;13:680‐687.  

(24) Jositsch G, Papadakis T, Haberberger RV, Wolff M, Wess J, Kummer W. Suitability of muscarinic 

acetylcholine  receptor  antibodies  for  immunohistochemistry  evaluated  on  tissue  sections  of 

receptor gene‐deficient mice. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 2009;379:389‐395.  

(25)  Pradidarcheep W,  Stallen  J,  Labruyere WT, Dabhoiwala NF, Michel MC,  Lamers WH.  Lack of 

specificity  of  commercially  available  antisera  against  muscarinergic  and  adrenergic  receptors. 

Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 2009;379:397‐402.  

(26)  Ikeda  T,  Anisuzzaman  AS,  Yoshiki  H,  Sasaki  M,  Koshiji  T,  Uwada  J,  Nishimune  A,  Itoh  H, 

Muramatsu I. Regional quantification of muscarinic acetylcholine receptors and beta‐adrenoceptors 

in human airways. Br J Pharmacol 2012;166:1804‐1814.  

(27) Profita M, Bonanno A, Siena L, Bruno A, Ferraro M, Montalbano AM, Albano GD, Riccobono L, 

Casarosa P, Pieper MP, Gjomarkaj M. Smoke, choline acetyltransferase, muscarinic  receptors, and 

fibroblast  proliferation  in  chronic  obstructive  pulmonary  disease.  J  Pharmacol  Exp  Ther 

2009;329:753‐763.  

(28) Radosa J, Dyck W, Goerdt S, Kurzen H. The cholinergic system  in guttate psoriasis with special 

reference to mast cells. Exp Dermatol 2011;20:677‐679.  

(29) Wallon C, Persborn M, Jonsson M, Wang A, Phan V, Lampinen M, Vicario M, Santos J, Sherman 

PM, Carlson M, Ericson AC, McKay DM, Soderholm JD. Eosinophils express muscarinic receptors and 

corticotropin‐releasing  factor  to disrupt  the mucosal barrier  in ulcerative colitis. Gastroenterology 

2011;140:1597‐1607.  

(30) Simon MI, Strathmann MP, Gautam N. Diversity of G proteins  in  signal  transduction. Science 

1991;252:802‐808.  

(31) Neves SR, Ram PT, Iyengar R. G protein pathways. Science 2002;296:1636‐1639.  

(32) Caulfield MP, Birdsall NJ. International Union of Pharmacology. XVII. Classification of muscarinic 

acetylcholine receptors. Pharmacol Rev 1998;50:279‐290.  

(33) Meurs H, Roffel AF, Elzinga CRS, Zaagsma J. Muscarinic receptor‐beta‐adrenaceptor cross‐talk in 

airway  smooth muscle.  In:  Zaagsma  J, Meurs  H  and  Roffel  AF,  editors. Muscarinic  receptors  in 

airways diseases. Basel: Birkhauser; 2001. p. 121‐‐158.  

(34)  Zhou XB, Wulfsen  I,  Lutz  S, Utku  E,  Sausbier U, Ruth P, Wieland  T, Korth M. M2 muscarinic 

receptors  induce airway smooth muscle activation via a dual, Gbetagamma‐mediated  inhibition of 

large conductance Ca2+‐activated K+ channel activity. J Biol Chem 2008;283:21036‐21044.  

(35)  Pera  T,  Penn  RB.  Crosstalk  between  beta‐2‐adrenoceptor  and  muscarinic  acetylcholine 

receptors in the airway. Curr Opin Pharmacol 2014;16C:72‐81.  

Page 22: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 27 

(36)  Kilbinger H,  Schneider  R,  Siefken H, Wolf D, D'Agostino G.  Characterization  of  prejunctional 

muscarinic autoreceptors in the guinea‐pig trachea. Br J Pharmacol 1991;103:1757‐1763.  

(37) ten Berge RE, Zaagsma J, Roffel AF. Muscarinic inhibitory autoreceptors in different generations 

of human airways. Am J Respir Crit Care Med 1996;154:43‐49.  

(38) On LS, Boonyongsunchai P, Webb S, Davies L, Calverley PM, Costello RW. Function of pulmonary 

neuronal M(2) muscarinic  receptors  in  stable  chronic obstructive pulmonary disease. Am  J Respir 

Crit Care Med 2001;163:1320‐1325.  

(39) Roffel AF, Elzinga CR, Van Amsterdam RG, De Zeeuw RA, Zaagsma J. Muscarinic M2 receptors in 

bovine  tracheal  smooth  muscle:  discrepancies  between  binding  and  function.  Eur  J  Pharmacol 

1988;153:73‐82.  

(40) Fisher JT, Vincent SG, Gomeza J, Yamada M, Wess J. Loss of vagally mediated bradycardia and 

bronchoconstriction  in  mice  lacking  M2  or  M3  muscarinic  acetylcholine  receptors.  FASEB  J 

2004;18:711‐713.  

(41) Rogers DF. Motor control of airway goblet cells and glands. Respir Physiol 2001;125:129‐144.  

(42) Ramnarine SI, Haddad EB, Khawaja AM, Mak JC, Rogers DF. On muscarinic control of neurogenic 

mucus secretion in ferret trachea. J Physiol 1996;494 ( Pt 2):577‐586.  

(43) Baker B, Peatfield AC, Richardson PS. Nervous control of mucin secretion into human bronchi. J 

Physiol 1985;365:297‐305.  

(44)  Spina  D,  Shah  S,  Harrison  S. Modulation  of  sensory  nerve  function  in  the  airways.  Trends 

Pharmacol Sci 1998;19:460‐466.  

(45) Undem BJ, Carr MJ. Pharmacology of airway afferent nerve activity. Respir Res 2001;2:234‐244.  

(46) Gleich GJ, Flavahan NA, Fujisawa T, Vanhoutte PM. The eosinophil as a mediator of damage to 

respiratory epithelium: a model  for bronchial hyperreactivity.  J Allergy Clin  Immunol 1988;81:776‐

781.  

(47)  ten  Berge  RE,  Santing  RE,  Hamstra  JJ,  Roffel  AF,  Zaagsma  J.  Dysfunction  of muscarinic M2 

receptors after the early allergic reaction: possible contribution to bronchial hyperresponsiveness in 

allergic guinea‐pigs. Br J Pharmacol 1995;114:881‐887.  

(48) Minette PA,  Lammers  JW, Dixon CM, McCusker MT, Barnes PJ. A muscarinic agonist  inhibits 

reflex  bronchoconstriction  in  normal  but  not  in  asthmatic  subjects.  J  Appl  Physiol  (1985) 

1989;67:2461‐2465.  

(49) Coulson FR, Fryer AD. Muscarinic acetylcholine receptors and airway diseases. Pharmacol Ther 

2003;98:59‐69.  

(50)  Evans  CM,  Fryer  AD,  Jacoby  DB,  Gleich  GJ,  Costello  RW.  Pretreatment  with  antibody  to 

eosinophil major basic protein prevents hyperresponsiveness by protecting neuronal M2 muscarinic 

receptors in antigen‐challenged guinea pigs. J Clin Invest 1997;100:2254‐2262.  

(51) Mitchell RW, Kelly E, Leff AR. Reduced activity of acetylcholinesterase in canine tracheal smooth 

muscle homogenates after active immune‐sensitization. Am J Respir Cell Mol Biol 1991;5:56‐62.  

(52)  Haddad  EB, Mak  JC,  Belvisi MG,  Nishikawa M,  Rousell  J,  Barnes  PJ. Muscarinic  and  beta‐

adrenergic receptor expression in peripheral lung from normal and asthmatic patients. Am J Physiol 

1996;270:L947‐53.  

Page 23: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

28 

(53)  van  Koppen  CJ,  Lammers  JW,  Rodrigues  de Miranda  JF,  Beld  AJ,  van  Herwaarden  CL,  van 

Ginneken  CA.  Muscarinic  receptor  binding  in  central  airway  musculature  in  chronic  airflow 

obstruction. Pulm Pharmacol 1989;2:131‐136.  

(54) Fenech AG, Ebejer MJ, Felice AE, Ellul‐Micallef R, Hall IP. Mutation screening of the muscarinic 

M(2) and M(3) receptor genes in normal and asthmatic subjects. Br J Pharmacol 2001;133:43‐48.  

(55) Nockher WA, Renz H. Neurotrophins and asthma: novel insight into neuroimmune interaction. J 

Allergy Clin Immunol 2006;117:67‐71.  

(56) Pan J, Rhode HK, Undem BJ, Myers AC. Neurotransmitters  in airway parasympathetic neurons 

altered by neurotrophin‐3 and repeated allergen challenge. Am J Respir Cell Mol Biol 2010;43:452‐

457.  

(57) Hunter DD, Wu Z, Dey RD. Sensory neural responses to ozone exposure during early postnatal 

development in rat airways. Am J Respir Cell Mol Biol 2010;43:750‐757.  

(58) Aven  L, Paez‐Cortez  J, Achey R, Krishnan R, Ram‐Mohan  S, Cruikshank WW, Fine A, Ai X. An 

NT4/TrkB‐dependent  increase  in  innervation  links early‐life allergen exposure  to persistent airway 

hyperreactivity. FASEB J 2014;28:897‐907.  

(59) Larson SD, Schelegle ES, Walby WF, Gershwin LJ, Fanuccihi MV, Evans MJ, Joad JP, Tarkington 

BK,  Hyde  DM,  Plopper  CG.  Postnatal  remodeling  of  the  neural  components  of  the  epithelial‐

mesenchymal trophic unit  in the proximal airways of  infant rhesus monkeys exposed to ozone and 

allergen. Toxicol Appl Pharmacol 2004;194:211‐220.  

(60)  Gross  NJ,  Skorodin MS.  Role  of  the  parasympathetic  system  in  airway  obstruction  due  to 

emphysema. N Engl J Med 1984;311:421‐425.  

(61)  Barnes  PJ.  The  role  of  anticholinergics  in  chronic  obstructive  pulmonary  disease. Am  J Med 

2004;117 Suppl 12A:24S‐32S.  

(62) Jackson M. "Divine stramonium": the rise and fall of smoking for asthma. Med Hist 2010;54:171‐

194.  

(63) Meurs H, Oenema  TA,  Kistemaker  LE, Gosens  R.  A  new  perspective  on muscarinic  receptor 

antagonism in obstructive airways diseases. Curr Opin Pharmacol 2013;13:316‐323.  

(64) Gross NJ. Anticholinergic agents in asthma and COPD. Eur J Pharmacol 2006;533:36‐39.  

(65) Barnes PJ. The pharmacological properties of tiotropium. Chest 2000;117:63S‐6S.  

(66) Casarosa P, Bouyssou T, Germeyer S, Schnapp A, Gantner F, Pieper M. Preclinical evaluation of 

long‐acting muscarinic antagonists: comparison of tiotropium and investigational drugs. J Pharmacol 

Exp Ther 2009;330:660‐668.  

(67) Disse B,  Speck GA, Rominger KL, Witek TJ,Jr., Hammer R.  Tiotropium  (Spiriva): mechanistical 

considerations and clinical profile in obstructive lung disease. Life Sci 1999;64:457‐464.  

(68)  Tautermann  CS,  Kiechle  T,  Seeliger  D,  Diehl  S, Wex  E,  Banholzer  R,  Gantner  F,  Pieper MP, 

Casarosa P. Molecular basis for the  long duration of action and kinetic selectivity of tiotropium for 

the muscarinic M3 receptor. J Med Chem 2013;56:8746‐8756.  

(69) Matera MG, Rogliani P, Cazzola M. Muscarinic receptor antagonists for the treatment of chronic 

obstructive pulmonary disease. Expert Opin Pharmacother 2014;15:961‐977.  

(70) Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD). Global Strategy for the Diagnosis, 

Management  and  Prevention  of  COPD  (GOLD)  2013.  Available  from: 

http://www.goldcopd.org/uploads/users/files/GOLD_Report_2014_Jan23.pdf. ;June 4, 2014.  

Page 24: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 29 

(71)  van  Noord  JA,  Bantje  TA,  Eland  ME,  Korducki  L,  Cornelissen  PJ.  A  randomised  controlled 

comparison  of  tiotropium  nd  ipratropium  in  the  treatment  of  chronic  obstructive  pulmonary 

disease. The Dutch Tiotropium Study Group. Thorax 2000;55:289‐294.  

(72)  Tashkin  DP,  Celli  B,  Senn  S,  Burkhart  D,  Kesten  S, Menjoge  S,  Decramer M,  UPLIFT  Study 

Investigators. A 4‐year  trial of  tiotropium  in  chronic obstructive pulmonary disease. N Engl  J Med 

2008;359:1543‐1554.  

(73) D'Urzo A, Ferguson GT, van Noord JA, Hirata K, Martin C, Horton R, Lu Y, Banerji D, Overend T. 

Efficacy and  safety of once‐daily NVA237  in patients with moderate‐to‐severe COPD:  the GLOW1 

trial. Respir Res 2011;12:156‐9921‐12‐156.  

(74) Kerwin E, Hebert J, Gallagher N, Martin C, Overend T, Alagappan VK, Lu Y, Banerji D. Efficacy and 

safety  of  NVA237  versus  placebo  and  tiotropium  in  patients with  COPD:  the  GLOW2  study.  Eur 

Respir J 2012;40:1106‐1114.  

(75) Rennard SI, Scanlon PD, Ferguson GT, Rekeda L, Maurer BT, Garcia Gil E, Caracta CF. ACCORD 

COPD  II:  a  randomized  clinical  trial  to  evaluate  the  12‐week  efficacy  and  safety  of  twice‐daily 

aclidinium  bromide  in  chronic  obstructive  pulmonary  disease  patients.  Clin  Drug  Investig 

2013;33:893‐904.  

(76) Jones PW, Singh D, Bateman ED, Agusti A, Lamarca R, de Miquel G, Segarra R, Caracta C, Garcia 

Gil E. Efficacy and safety of twice‐daily aclidinium bromide in COPD patients: the ATTAIN study. Eur 

Respir J 2012;40:830‐836.  

(77) Fuhr R, Magnussen H, Sarem K,  Llovera AR, Kirsten AM, Falques M, Caracta CF, Garcia Gil E. 

Efficacy  of  aclidinium  bromide  400  mug  twice  daily  compared  with  placebo  and  tiotropium  in 

patients with moderate to severe COPD. Chest 2012;141:745‐752.  

(78) Bateman ED, Mahler DA, Vogelmeier CF, Wedzicha JA, Patalano F, Banerji D. Recent advances in 

COPD disease management with  fixed‐dose  long‐acting  combination  therapies.  Expert Rev Respir 

Med 2014;8:357‐379.  

(79) Derom E, Westerman J, Groenke L, Hamilton A, Li C, Beeh K. The 24‐Hour Lung Function Profile 

Of  Once‐Daily  Tiotropium  And  Olodaterol  Fixed‐Dose  Combination  Compared With  Placebo  And 

Monotherapies  In  Chronic Obstructive  Pulmonary  Disease  [abstract].  Am  J  Respir  Crit  Care Med 

2014;189:A6727.  

(80)  Bateman  ED,  Ferguson  GT,  Barnes  N,  Gallagher  N,  Green  Y,  Henley  M,  Banerji  D.  Dual 

bronchodilation with QVA149 versus  single bronchodilator  therapy:  the SHINE  study. Eur Respir  J 

2013;42:1484‐1494.  

(81) Frampton  JE. QVA149  (Indacaterol/Glycopyrronium Fixed‐Dose Combination): A Review of  Its 

Use in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Drugs 2014;74:465‐488.  

(82)  Cazzola  M,  Rogliani  P,  Matera  MG.  Aclidinium  bromide/formoterol  fumarate  fixed‐dose 

combination for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease. Expert Opin Pharmacother 

2013;14:775‐781.  

(83)  Singh  D,  Jones  PW,  Bateman  ED,  Korn  S,  Serra  C,  Molins  E,  Caracta  C,  Leselbaum  A. 

Aclidinium/formoterol Fixed‐Dose Combination  Improves Bronchodilation And  Is Well Tolerated  In 

Patients With COPD: Results From The Acliform/COPD Study  [abstract]. Am J Respir Crit Care Med 

2014;189:A5987.  

Page 25: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

30 

(84) Decramer M, Anzueto A, Kerwin E, Kaelin T, Richard N, Crater G, Tabberer M, Harris S, Church A. 

Efficacy  and  safety of umeclidinium plus  vilanterol  versus  tiotropium,  vilanterol, or umeclidinium 

monotherapies over 24 weeks in patients with chronic obstructive pulmonary disease: results from 

two multicentre, blinded, randomised controlled trials. Lancet Respir Med 2014;2:472‐486.  

(85)  Gras  J.  Umeclidinium/vilanterol  fixed‐dose  combination  for  COPD.  Drugs  Today  (Barc) 

2014;50:231‐238.  

(86) Global Initiative for Asthma (GINA). GINA Report, Global Strategy for Asthma Management and 

Prevention. Available from: www.ginasthma.org. 2014;June 4, 2014.  

(87) Westby M, Benson M, Gibson P. Anticholinergic agents for chronic asthma in adults. Cochrane 

Database Syst Rev 2004;(3):CD003269.  

(88) Peters SP, Kunselman SJ, Icitovic N, Moore WC, Pascual R, Ameredes BT, Boushey HA, Calhoun 

WJ, Castro M, Cherniack RM, Craig T, Denlinger L, Engle LL, DiMango EA, Fahy JV, Israel E, Jarjour N, 

Kazani  SD,  Kraft M,  Lazarus  SC,  Lemanske  RF,Jr,  Lugogo  N, Martin  RJ, Meyers  DA,  Ramsdell  J, 

Sorkness  CA,  Sutherland  ER,  Szefler  SJ, Wasserman  SI, Walter MJ, Wechsler ME,  Chinchilli  VM, 

Bleecker  ER,  National  Heart,  Lung,  and  Blood  Institute  Asthma  Clinical  Research  Network. 

Tiotropium  bromide  step‐up  therapy  for  adults  with  uncontrolled  asthma.  N  Engl  J  Med 

2010;363:1715‐1726.  

(89) Kerstjens HA, Disse B, Schroder‐Babo W, Bantje TA, Gahlemann M, Sigmund R, Engel M, van 

Noord  JA.  Tiotropium  improves  lung  function  in  patients  with  severe  uncontrolled  asthma:  a 

randomized controlled trial. J Allergy Clin Immunol 2011;128:308‐314.  

(90)  Kerstjens HA,  Engel M, Dahl  R,  Paggiaro  P,  Beck  E,  Vandewalker M,  Sigmund  R,  Seibold W, 

Moroni‐Zentgraf P, Bateman ED. Tiotropium in asthma poorly controlled with standard combination 

therapy. N Engl J Med 2012;367:1198‐1207.  

(91)  Bateman  ED,  Kornmann  O,  Schmidt  P,  Pivovarova  A,  Engel  M,  Fabbri  LM.  Tiotropium  is 

noninferior  to  salmeterol  in  maintaining  improved  lung  function  in  B16‐Arg/Arg  patients  with 

asthma. J Allergy Clin Immunol 2011;128:315‐322.  

(92)  Beeh  KM,  Moroni‐Zentgraf  P,  Ablinger  O,  Hollaenderova  Z,  Unseld  A,  Engel  M,  Korn  S. 

Tiotropium Respimat(R) in asthma: a double‐blind, randomised, dose‐ranging study in adult patients 

with moderate asthma. Respir Res 2014;15:61.  

(93) Kerstjens HAM, Bleecker E, Meltzer E, Casale T, Pizzichini E, Schmidt O, Engel M, Bour LJ, Verkleij 

CB, Moroni‐Zentgraf PM, Bateman ED. Tiotropium as add‐on therapy to  inhaled corticosteroids for 

patients with symptomatic asthma: Lung function and safety. ERJ 2013;42: Suppl 57:4629.  

(94) Barnes PJ. Immunology of asthma and chronic obstructive pulmonary disease. Nat Rev Immunol 

2008;8:183‐192.  

(95) Di  Stefano  A,  Capelli  A,  Lusuardi M,  Balbo  P,  Vecchio  C, Maestrelli  P, Mapp  CE,  Fabbri  LM, 

Donner CF, Saetta M. Severity of airflow limitation is associated with severity of airway inflammation 

in smokers. Am J Respir Crit Care Med 1998;158:1277‐1285.  

(96) Barnes PJ. Alveolar macrophages as orchestrators of COPD. COPD 2004;1:59‐70.  

(97) Barnes PJ. The cytokine network  in asthma and chronic obstructive pulmonary disease.  J Clin 

Invest 2008;118:3546‐3556.  

(98) Barnes PJ. Chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 2000;343:269‐280.  

Page 26: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

General introduction 

 31 

(99)  Hogg  JC,  Chu  F,  Utokaparch  S, Woods  R,  Elliott WM,  Buzatu  L,  Cherniack  RM,  Rogers  RM, 

Sciurba  FC,  Coxson  HO,  Pare  PD.  The  nature  of  small‐airway  obstruction  in  chronic  obstructive 

pulmonary disease. N Engl J Med 2004;350:2645‐2653.  

(100) Jeffery PK. Remodeling  in asthma and chronic obstructive  lung disease. Am J Respir Crit Care 

Med 2001;164:S28‐S38.  

(101) Rabe KF, Hurd S, Anzueto A, Barnes PJ, Buist SA, Calverley P, Fukuchi Y, Jenkins C, Rodriguez‐

Roisin  R,  van Weel  C,  Zielinski  J,  Global  Initiative  for  Chronic  Obstructive  Lung  Disease.  Global 

strategy for the diagnosis, management, and prevention of chronic obstructive pulmonary disease: 

GOLD executive summary. Am J Respir Crit Care Med 2007;176:532‐555.  

(102) Caramori G, Di Gregorio C, Carlstedt I, Casolari P, Guzzinati I, Adcock IM, Barnes PJ, Ciaccia A, 

Cavallesco G,  Chung  KF,  Papi A. Mucin  expression  in  peripheral  airways  of  patients with  chronic 

obstructive pulmonary disease. Histopathology 2004;45:477‐484.  

(103) Saetta M, Turato G, Baraldo S, Zanin A, Braccioni F, Mapp CE, Maestrelli P, Cavallesco G, Papi 

A, Fabbri LM. Goblet cell hyperplasia and epithelial  inflammation  in peripheral airways of smokers 

with both symptoms of chronic bronchitis and chronic airflow limitation. Am J Respir Crit Care Med 

2000;161:1016‐1021.  

(104) Corren J. Role of interleukin‐13 in asthma. Curr Allergy Asthma Rep 2013;13:415‐420.  

(105) Lambrecht BN, Hammad H. The airway epithelium in asthma. Nat Med 2012;18:684‐692.  

(106) Ordonez  CL,  Khashayar  R, Wong HH,  Ferrando  R, Wu  R, Hyde DM, Hotchkiss  JA,  Zhang  Y, 

Novikov A, Dolganov G, Fahy  JV. Mild and moderate asthma  is associated with airway goblet  cell 

hyperplasia and abnormalities  in mucin gene expression. Am J Respir Crit Care Med 2001;163:517‐

523.  

(107) Morcillo EJ, Cortijo J. Mucus and MUC in asthma. Curr Opin Pulm Med 2006;12:1‐6.  

(108)  Benayoun  L, Druilhe  A, Dombret MC,  Aubier M,  Pretolani M.  Airway  structural  alterations 

selectively associated with severe asthma. Am J Respir Crit Care Med 2003;167:1360‐1368.  

(109)  James AL, Bai  TR, Mauad  T, Abramson MJ, Dolhnikoff M, McKay KO, Maxwell PS,  Elliot  JG, 

Green  FH.  Airway  smooth muscle  thickness  in  asthma  is  related  to  severity  but  not  duration  of 

asthma. Eur Respir J 2009;34:1040‐1045.  

(110) Payne DN, Rogers AV, Adelroth E, Bandi V, Guntupalli KK, Bush A, Jeffery PK. Early thickening of 

the  reticular  basement membrane  in  children with  difficult  asthma.  Am  J  Respir  Crit  Care Med 

2003;167:78‐82.  

(111) Hoshino M, Nakamura Y, Hamid QA. Gene expression of vascular endothelial growth  factor 

and its receptors and angiogenesis in bronchial asthma. J Allergy Clin Immunol 2001;107:1034‐1038.  

 (112) An SS, Bai TR, Bates JH, Black JL, Brown RH, Brusasco V, Chitano P, Deng L, Dowell M, Eidelman 

DH,  Fabry  B,  Fairbank  NJ,  Ford  LE,  Fredberg  JJ,  Gerthoffer WT,  Gilbert  SH,  Gosens  R,  Gunst  SJ, 

Halayko AJ,  Ingram RH,  Irvin CG,  James AL,  Janssen LJ, King GG, Knight DA, Lauzon AM, Lakser OJ, 

Ludwig MS, Lutchen KR, Maksym GN, Martin JG, Mauad T, McParland BE, Mijailovich SM, Mitchell 

HW, Mitchell RW, Mitzner W, Murphy TM, Pare PD, Pellegrino R, Sanderson MJ, Schellenberg RR, 

Seow CY, Silveira PS, Smith PG, Solway  J, Stephens NL, Sterk PJ, Stewart AG, Tang DD, Tepper RS, 

Tran  T, Wang  L.  Airway  smooth muscle  dynamics:  a  common  pathway  of  airway  obstruction  in 

asthma. Eur Respir J 2007;29:834‐860.  

Page 27: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

Chapter 1 

32 

(113) Pare PD, Roberts CR, Bai TR, Wiggs BJ. The functional consequences of airway remodeling  in 

asthma. Monaldi Arch Chest Dis 1997;52:589‐596.  

(114)  Pera  T,  Zuidhof A, Valadas  J,  Smit M,  Schoemaker RG, Gosens R, Maarsingh H,  Zaagsma  J, 

Meurs H.  Tiotropium  inhibits  pulmonary  inflammation  and  remodelling  in  a  guinea  pig model  of 

COPD. Eur Respir J 2011;38:789‐796.  

(115) Wollin L, Pieper MP. Tiotropium bromide exerts anti‐inflammatory activity in a cigarette smoke 

mouse model of COPD. Pulm Pharmacol Ther 2010;23:345‐354.  

(116) Ohta S, Oda N, Yokoe T, Tanaka A, Yamamoto Y, Watanabe Y, Minoguchi K, Ohnishi T, Hirose T, 

Nagase H, Ohta K, Adachi M. Effect of tiotropium bromide on airway inflammation and remodelling 

in a mouse model of asthma. Clin Exp Allergy 2010;40:1266‐1275.  

(117) Bos  IS, Gosens R,  Zuidhof AB,  Schaafsma D, Halayko AJ, Meurs H,  Zaagsma  J.  Inhibition  of 

allergen‐induced  airway  remodelling  by  tiotropium  and  budesonide:  a  comparison.  Eur  Respir  J 

2007;30:653‐661.  

(118)  Gosens  R,  Bos  IS,  Zaagsma  J,  Meurs  H.  Protective  effects  of  tiotropium  bromide  in  the 

progression of airway smooth muscle remodeling. Am J Respir Crit Care Med 2005;171:1096‐1102.  

(119) Wedzicha  JA, Donaldson GC. Exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. Respir 

Care 2003;48:1204‐13; discussion 1213‐5.  

(120) Qiu Y, Zhu J, Bandi V, Atmar RL, Hattotuwa K, Guntupalli KK, Jeffery PK. Biopsy neutrophilia, 

neutrophil chemokine and receptor gene expression in severe exacerbations of chronic obstructive 

pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 2003;168:968‐975.  

(121) Powrie DJ, Wilkinson TM, Donaldson GC, Jones P, Scrine K, Viel K, Kesten S, Wedzicha JA. Effect 

of tiotropium on sputum and serum inflammatory markers and exacerbations in COPD. Eur Respir J 

2007;30:472‐478.  

(122)  Anzueto  A,  Tashkin  D, Menjoge  S,  Kesten  S.  One‐year  analysis  of  longitudinal  changes  in 

spirometry in patients with COPD receiving tiotropium. Pulm Pharmacol Ther 2005;18:75‐81.  

(123) Decramer M, Celli B, Kesten S, Lystig T, Mehra S, Tashkin DP. Effect of tiotropium on outcomes 

in patients with moderate chronic obstructive pulmonary disease (UPLIFT): a prespecified subgroup 

analysis of a randomised controlled trial. Lancet 2009;374:1171‐1178.  

(124) Morice AH, Celli B, Kesten S, Lystig T, Tashkin D, Decramer M. COPD in young patients: a pre‐

specified analysis of the four‐year trial of tiotropium (UPLIFT). Respir Med 2010;104:1659‐1667.  

(125) Grainge CL, Lau LC, Ward  JA, Dulay V, Lahiff G, Wilson S, Holgate S, Davies DE, Howarth PH. 

Effect of bronchoconstriction on airway remodeling in asthma. N Engl J Med 2011;364:2006‐2015.  

Page 28: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells

 

 

Page 29: University of Groningen Acetylcholine beyond ... · detected in almost all cell types of the airways, including epithelial cells, airway smooth muscle cells and inflammatory cells