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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10980 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Tragbare Luftreiniger tragen zur Verbesserung der Raumluftqualität bei, indem sie Allergene, einschließlich tierischer Hautschuppenproteine, neutralisieren. Allerdings gibt es nur begrenzte In-vivo-Modelle zur Beurteilung der Wirksamkeit dieser Geräte. Hier haben wir ein neuartiges Tiermodell für experimentelles Asthma unter Verwendung von aerosolisiertem Katzenschuppenextrakt (CDE) entwickelt und die Wirksamkeit ausgewählter Luftreinigungstechnologien verglichen. Mäuse wurden 6 Wochen lang CDE-Aerosolen in separaten, speziell angefertigten Ganzkörper-Expositionskammern ausgesetzt, die entweder mit einem photoelektrochemischen oxidativen (PECO) Molekülfiltrationsgerät (PFD) oder einem HEPA-unterstützten Luftfiltrationsgerät (HFD) zusammen mit positiven (a Gerät ohne Filterfunktion) und Negativkontrollen. Im Vergleich zur Positivkontrollgruppe waren der CDE-induzierte Atemwegswiderstand sowie die Plasma-IgE- und IL-13-Spiegel in beiden Luftreinigergruppen signifikant reduziert. PFD-Mäuse zeigten jedoch eine bessere Abschwächung der Schleimhauthyperplasie und Eosinophilie des Lungengewebes als HFD- und Positivkontrollmäuse, was auf eine bessere Wirksamkeit bei der Behandlung von CDE-induzierten allergischen Reaktionen hinweist. Die Zerstörung von Katzenschuppenproteinen wurde durch LCMS-Proteomanalyse bewertet, die den Abbau von 2731 einzigartigen Peptiden auf PECO-Medien in 1 Stunde ergab. Somit erhöht die Zerstörung von Allergenproteinen auf Filtermedien die Wirksamkeit des Luftreinigers, was im Vergleich zur herkömmlichen HEPA-basierten Filterung allein zu einer Linderung von Allergiereaktionen führen könnte.

Ein entscheidender Aspekt bei der Behandlung von allergischem Asthma ist die Aufrechterhaltung einer sauberen Raumluftumgebung und die Vermeidung der Exposition von Patienten gegenüber Allergenen und Beleidigungen, insbesondere wenn sie für die ständig vorhandenen Innenraumallergene, die die asthmatische Reaktion auslösen, empfindlich sind. Der Zusammenhang zwischen Innenraumallergenen und Asthmamorbidität, insbesondere bei der Entwicklung von Asthma bei Kindern, wurde bereits früher nachgewiesen1. Zu den häufigsten Allergenen gehören Hausstaubmilben, Kakerlaken, Pollen, Schimmelpilzsporen und Metaboliten; Tierhaare sind jedoch ein weit verbreitetes Haushaltsallergen, das häufig übersehen wird. Insbesondere Katzenhaare sind das häufigste Allergen in Innenräumen, und Felis Domesticus 1 (Fel d1) hat sich bewährt und ist die dominierende Allergenkomponente von Katzenhaaren2,3,4. Fel d1 ist ein Sekretoglobin-Proteinkomplex, von dem bekannt ist, dass er eine Th2-Immunantwort auslöst, und es wurde gezeigt, dass etwa 50 % der Asthmapatienten IgE-vermittelte allergische Reaktionen auf die Exposition gegenüber Fel d1 zeigen. Fel d1 ist ein weit verbreiteter Bestandteil der Talgdrüsen der Katze, von wo es auf das Fell und die Haut ausgeschieden wird und auch in den Speicheldrüsen der Katze vorhanden ist5,6,7.

Die Verbesserung der Luftqualität in Innenräumen ist für den erfolgreichen Umgang mit allergischen Reaktionen auf in der Luft befindliche Allergene und die Verbesserung der allgemeinen Lebensqualität von Asthmapatienten von entscheidender Bedeutung. Die Integration eines Luftreinigungssystems für Asthmabehandlungs- und/oder Präventionsoptionen muss jedoch noch in Betracht gezogen werden. Obwohl die aktuellen Behandlungsschemata, einschließlich der allergenspezifischen Immuntherapie, einige Verbesserungen gezeigt haben8,9,10,11, sollten technologische Fortschritte bei der Inaktivierung der Umweltallergene auch im Mittelpunkt der Bemühungen stehen, um zur Reduzierung/Begrenzung asthmatischer Exazerbationen beizutragen. Nicht-invasive, umweltschonende und physikalische Methoden zur Vermeidung einer Sensibilisierung, einschließlich der Verwendung tragbarer Luftreiniger, sind für die Beseitigung luftübertragener Allergene von entscheidender Bedeutung. Die Effizienz der Aeroallergen-Beseitigung und die potenziellen gesundheitlichen Vorteile können jedoch je nach Umgebungsart, Filtertechnologie und verwendeten Geräten variieren.

Die Luftreinigung ist eine Marathonanstrengung und nicht nur ein Sprint, bei dem es darauf ankommt, wie schnell Partikel aus der Luft entfernt werden. Bei der Luftreinigung geht es um mehr als nur um den Nachweis der Entfernung oder Reduzierung von Schadstoffwerten unterhalb der Standardnachweisgrenzen. Allerdings reagieren Lebewesen, darunter Menschen und Tiere, deutlich empfindlicher auf Veränderungen des Schadstoffgehalts als alle derzeit verwendeten Analyseinstrumente. Daher sind kontinuierliche Anstrengungen erforderlich, um die Auswirkungen der Luftreinigung auf die Gesundheit der Atemwege zu verstehen, damit sie sinnvoll in den Alltag integriert werden kann. Ziel der aktuellen Studie ist es, eine Methode zur Bewertung von Luftreinigungstechnologien zu entwickeln, insbesondere wenn Standardanalysemethoden nur begrenzten Erfolg bei der Herstellung eines schlüssigen Zusammenhangs zwischen gesundheitlichen Vorteilen und Luftqualitätsparametern hatten.

Luft ist ein Mehrkomponentengemisch aus Gasen, Partikeln und Flüssigkeitströpfchen, die als Aerosole bekannt sind (Abb. S1). Allergenpartikel sind ein Bestandteil der Luft, der noch wenig erforscht ist. Allergenpartikel in der Luft gelten im Allgemeinen als intakt und immobilisiert auf Staubpartikeln unterschiedlicher Größe. Daher basieren alle Testmethoden zur Bewertung der Wirksamkeit von Luftreinigern auf Ansätzen zur Partikelentfernung und gehen nicht auf die Bedenken ein, die sich aus dem Vorhandensein freier Allergene und Allergenproteine in der Luft ergeben. Freie Allergene und Allergenproteine stellen Allergenpartikel im Nanometerbereich dar, die nicht auf den größeren Staubpartikeln immobilisiert sind. Nach unserem besten Wissen gibt es keine analytische Instrumentierungsmethode, die das Vorhandensein von freien Allergenproteinen bestimmen kann, die von den im Staub immobilisierten Partikeln getrennt sind, und in diesem Fall die Wirksamkeit von Luftreinigungstechnologien und -geräten bewerten kann. Dementsprechend gehen wir davon aus, dass die Eliminierung freier Allergenproteine aus der Luft entscheidend für die Reduzierung von Sensibilisierungen und asthmatischen Exazerbationen ist.

Eine kürzlich entwickelte PECO-Luftreinigungstechnologie (Abb. S2) fängt organische Schadstoffe ein und zerstört (oxidiert) und ermöglicht die Beseitigung von Partikeln, die 1 × 103-mal kleiner sind als Partikel, die durch Luftreinigungstechnologien auf rein physikalischer Filterbasis entfernt werden12. Zu den organischen Schadstoffen gehören halbflüchtige und flüchtige organische Verbindungen (sVOCs bzw. VOCs), pathogene Mikroben und Allergenpartikel. PECO-unterstützte Luftfiltergeräte (PFD) (Molekule Air Mini+) wurden aufgrund ihrer Effizienz und ihres Potenzials zur Eliminierung pathogener Bakterien und Viren von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) als Medizinprodukte der Klasse II zugelassen13. In einer klinischen Pilotstudie wurde gezeigt, dass diese Molekule-Luftreiniger die Dauer des Krankenhausaufenthalts, die Intubationsraten und den Bedarf an Verneblern und nicht-invasiven Eingriffen bei pädiatrischen Patienten, die aufgrund von Atemnot ins Krankenhaus eingeliefert wurden, reduzieren14. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um das volle Potenzial und die Grenzen sowie den Nutzen dieser neuartigen Technologie in Bereichen mit Bezug zur menschlichen Gesundheit zu untersuchen.

Das Design der vorliegenden Studie basierte auf den folgenden Fragen.

Reicht die Standardmethode zur Bestimmung des Partikelgehalts in der Luft aus, um die Wirksamkeit von Luftreinigern zu bewerten?

Kann das Vorhandensein von Fel d1-Spiegeln, die unter der Nachweisgrenze einer Analysemethode liegen, in einem experimentellen Mausmodell allergische Reaktionen hervorrufen?

Beeinträchtigt die Zerstörung von Allergenproteinen auf dem PFD die Leistung der Luftreinigungseinheit über die physikalischen Filterparameter hinaus?

In dieser Studie wurde ein kleines präklinisches Tiermodell eingesetzt, um die oben genannten Fragen zu untersuchen und die Wirksamkeit eines neuartigen PECO-unterstützten tragbaren Reinigungssystems (mit PFD) mit einem herkömmlichen HEPA-Filtersystem (mit HFD) zu vergleichen. Erwachsene C57BL/6J-Mäuse wurden in Ganzkörperkammern aerosolisiertem CDE ausgesetzt, um die Bedingungen nachzuahmen, die einer Allergenexposition in Innenräumen in Haushalten ähneln, und die Auswirkungen der Luftreinigungssysteme wurden getestet, um ihre Effizienz bei der Minimierung der CDE-induzierten asthmatischen Reaktionen zu quantifizieren. Unser aerosolisiertes CDE-Expositionsmodell löste bei Mäusen eine asthmatische Reaktion aus und ahmte effektiv die Bedingungen für die Exposition gegenüber Hautschuppenallergenen bei Haustieren nach. Die Lungenfunktionsparameter, die Zytokine und Zelldifferenzierung der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit (BALF), die Histologie des Lungengewebes und die Umgestaltung des Atemwegsepithels sowie die Plasmazytokinspiegel wurden analysiert, um die Auswirkungen der Luftfiltration auf CDE-induzierte allergische Entzündungsreaktionen zu vergleichen. Insgesamt legt unsere Studie nahe, dass das PFD und seine Zerstörungstechnologie die CDE-induzierten Symptome und Exazerbationen von allergischem Asthma in einem Mausmodell wirksamer verhindern. Dieser Effekt könnte in erster Linie auf die effiziente oxidative Inaktivierung von Allergenproteinen zurückzuführen sein, wie durch unsere LC-MS-Proteomanalysestudien bestätigt. Somit zerstört das neuartige PFD die biologische Aktivität von Aeroallergen-Proteinen und der Einsatz solcher Geräte könnte schwächende allergische Exazerbationen lindern.

Die Tiere in allen Kammern (NC – Negativkontrolle; PC – Positivkontrolle; PFD – PECO-unterstütztes Luftfiltrationsgerät; HFD – HEPA-unterstütztes Luftfiltrationsgerät) wurden ähnlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die sich in der währenddessen aufgezeichneten durchschnittlichen Temperatur und Luftfeuchtigkeit widerspiegeln der Studie (Tabelle 1). Die durchschnittliche Temperatur in allen Kammern lag während der Studie zwischen 20,3 und 21,7 °C (0,1), die Luftfeuchtigkeit lag zwischen 49,9 und 56,7 %.

Die Analyse des Katzenschuppenallergenproteins Fel d1 in den Luftproben aller Kammern wurde von Indoor Technologies Inc. durchgeführt. Während der sechs Wochen wurden in jeder Kammer (PC-, PFD- und HFD-Kammer) vergleichbare Mengen an CDE-Aerosol erzeugt der Studie mit durchschnittlichen Fel d1-Werten von 60,05, 64,74 und 59,62 ng pro 2 l Kammerluftprobe (Tabelle 2). Am wichtigsten ist, dass die vor und nach der Luftfiltration gesammelten Luftproben zeigen, dass sowohl die PECO-unterstützten Air Mini+- als auch die HEPA-filterunterstützten Luftreinigungsgeräte in der Lage waren, den Fel d1 jeweils unter die Nachweisgrenze zu drücken Die Kammern wurden mit der Positivkontrollkammer verglichen, in der noch 50 % der anfänglichen Fel d1-Aerosole in der Luftprobe vorhanden waren.

Die Tiere der Studie wogen zu Beginn der Studie zwischen 26 und 32 g, wobei das durchschnittliche Körpergewicht in jeder Gruppe etwa 30 g betrug. Die Veränderungen des Körpergewichts wurden als Prozentsatz des anfänglichen Körpergewichts für jede Maus berechnet und die durchschnittliche Veränderung wurde für jede Gruppe aufgezeichnet (Abb. 1A). Tiere in der Raumluft nahmen während der Studie etwa 8 % ihres Körpergewichts zu, während die Mäuse, die CDE-Aerosol ausgesetzt waren, weniger an Gewicht zunahmen (2 %), ohne signifikanten Unterschied zwischen den PC-, PFD- und HFD-Mäusen. Als nächstes wurden am Ende der Studie fünf Tiere aus jeder Gruppe zufällig ausgewählt und einer Lungenfunktionsanalyse unterzogen, um Veränderungen in der Hyperreaktivität der Atemwege nach einer Methacholin (Mch)-Bronchoprovokation zu bestimmen. Es gab einen signifikanten Anstieg des Atemwegswiderstands (RL) in der PC-Gruppe von Mäusen bei 3 und 6 mg/ml Mch-Herausforderungen im Vergleich zur NC-Gruppe (Abb. 1B, D). Sowohl die Atemwege der PFD- als auch der HFD-Mäuse reagierten nicht empfindlich auf Mch-Herausforderungen, wobei sich die Veränderungen der Lungenfunktionsparameter nicht von denen der NC-Gruppe unterschieden, was darauf hindeutet, dass die Luftfiltration sowohl durch PFD als auch durch HFD die CDE-Allergenspiegel funktionell unterdrückt hat. Für keine der getesteten Gruppen wurden signifikante Veränderungen in der dynamischen Compliance (Cdyn) der Atemwege von Mäusen beobachtet (Abb. 1C, E).

(A) Änderungen im Körpergewicht der Mäuse in jeder Gruppe während der Studie, dargestellt als prozentuale Änderung gegenüber dem durchschnittlichen anfänglichen Körpergewicht für jede Gruppe. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM dargestellt und durch ANOVA analysiert (n = 10/gp); **p < 0,01; ***p < 0,001 im Vergleich zur NC-Gruppe. Lungenfunktionsparameter wurden nach CDE-Exposition und Luftfiltration in jeder Mäusegruppe analysiert. Der (B) Atemwegswiderstand (RL) und die (C) dynamische Compliance (Cdyn) anästhesierter Mäuse aus jeder Gruppe wurden nach der zunehmenden Methacholin-Dosis (MCh) (0, 1, 3, 6, 12, 25 und 50) bestimmt mg/ml) Aerosolbelastungen durch Inhalation. Die Histogramme zeigen die RL- und (E) Cdyn-Werte der einzelnen Gruppen (D) für Mäuse, denen 0, 1, 3 und 6 mg/ml Methacholin verabreicht wurden. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM (n = 5/gp) angezeigt und mittels 2-Wege-ANOVA analysiert; **p < 0,01.

Unter den gesammelten BALF-Zellen befanden sich in der NC-Gruppe durchschnittlich 3,53 × 105 Zellen/ml. Die CDE-Allergenexposition induzierte die Zellularität in BALF um das Vierfache, was zu 12,05 × 105 Zellen/ml in der PC-Gruppe führte. Es gab eine merkliche Abschwächung (p-Wert = 0,08) der BALF-Zellrekrutierung bei PFD-Tieren mit durchschnittlich 6,14 × 105 Zellen/ml (Abb. 2A). Dagegen zeigten die HFD-Mäuse nur einen Trend zu niedrigeren BALF-Zellzahlen mit durchschnittlich 9,44 × 105 Zellen/ml. Der größte Teil dieser Zellinfiltration war auf die Rekrutierung von Eosinophilen (Eos) zurückzuführen, wie durch Immunfärbung von BALF-Zytospins (Abb. 2B) und Quantifizierung des gesamten Eos (Abb. 2C) sowie des gesamten BALF-Zellprozentsatzes pro Maus (Abb. 2D) bestimmt wurde. . Eos machte etwa 32 % der BALF-Zellen in der PC-Gruppe mit 3,96 × 105 Eos/ml aus, die bei den PFD-Mäusen signifikant unterdrückt wurden.

Durch CDE-Aerosole induzierte Eosinophilie der Atemwege wird durch PFD unterdrückt. (A) Violin-Plot-Analyse der gesamten BALF-Zellen, die aus jeder Gruppe erhalten wurden, wobei jeder Punkt eine einzelne Maus pro Gruppe darstellt. (B) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen, die immungefärbte Eosinophile (rot dargestellt) in BALF-Cytospins für jede Gruppe mit mit DAPI gefärbten Kernen (blau dargestellt) zeigen, Maßstabsleiste – 10 µm. Quantifizierung von (C) Gesamt-Eosinophilen und (D) Eosinophilen-Prozentsatz pro ms in jeder Gruppe. Durch ANOVA analysierte Daten (n = 10/gp außer PC, n = 9); *p < 0,05, **p<0,01.

Das von jeder Maus gesammelte Plasma und die Spülflüssigkeit wurden mithilfe entsprechender ELISAs auf Gesamt-IgE-Spiegel und IL-13-Zytokinspiegel untersucht. Es gab einen signifikanten Anstieg der Plasma-IgE-Spiegel, die in den PFD- und HFD-Gruppen abgeschwächt waren (Abb. 3A). Eine ähnlich signifikante Unterdrückung wurde bei den Plasma-IL-13-Spiegeln der PFD- und HFD-Gruppen beobachtet, die in der PC-Gruppe induziert wurde (Abb. 3B). Die Analyse der BALF-IgE-Spiegel zeigte auch einen ähnlichen Trend, wobei die PFD- und HFD-Gruppen eine bessere Abschwächung der CDE-induzierten IgE-Spiegel zeigten (Abb. 3C), es jedoch keinen Unterschied in den BALF IL-13-Spiegeln zwischen den Mäusen aller analysierten Gruppen gab (Abb. 3D).

Quantifizierung der Plasmaspiegel (A) IgE und (B) IL-13 sowie der BALF-Spiegel (C) IgE und (D) IL-13 bei Mäusen aus jeder Gruppe, bestimmt durch ELISA. Durch ANOVA analysierte Daten (n = 5/gp); *p < 0,05; **p < 0,01.

Es gab in keiner der Gruppen einen signifikanten Unterschied in der groben Histopathologie des Lungengewebes hinsichtlich der Zellularität um die Atemwege, Blutgefäße oder im Parenchym (Abb. 4A). Allerdings zeigten die axialen Atemwege bei PC-Mäusen eine erhöhte Schleimmetaplasie, wie in Abb. 4B gezeigt, und die PFD- und HFD-Gruppe zeigten eine gewisse Abschwächung der Schleimzellzahlen pro mm BL (Abb. 4C). Die Veränderungen in der Metaplasie der Schleimzellen wurden weiter durch Immunfärbung von Serienschnitten mit Antikörper gegen Muc5ac-Mucin bestätigt, die bei PFD-Mäusen eine signifikante Abschwächung im Vergleich zu HFD-Mäusen zeigten (Abb. 4D, E). Die Schnitte wurden außerdem gleichzeitig auf Eosinophile gefärbt, die eine signifikante peribronchiale Eosinophilie bei PC-Mäusen im Vergleich zu NC-Mäusen aufwiesen, und die PFD schwächte diese erhöhte Rekrutierung von Eosinophilen deutlich ab, wohingegen Mäuse der HFD-Gruppe keine Veränderung gegenüber der PC-Gruppe zeigten (Abb. 4D, F). ).

Die durch die Exposition gegenüber CDE-Aerosolen verursachte Metaplasie der Schleimhautzellen in den Atemwegen und die peribronchiale Eosinophilie werden durch PFD gemildert. Repräsentative mikroskopische Aufnahmen des Lungengewebes von Mäusen aus jeder Gruppe, die die grobe Morphologie und die Metaplasie der Atemwegsschleimhaut zeigen. (A) Bilder mit geringer Vergrößerung des gesamten Lungenabschnitts, gefärbt mit H&E, zeigen die Bronchialluftwege (markiert mit einem roten Sternchen), Maßstab – 200 µm. (B) Ein stark vergrößertes Bild der mit AB/PAS gefärbten axialen Atemwege der Lunge, das das AB + Mucin-Glykoprotein zeigt, das die Schleim-/Becherzellen markiert (markiert mit roten Pfeilen), Maßstab – 10 µm. (C) Die Quantifizierung der Schleimzellen pro mm der Basallamina (BL). (D) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen, die Muc5ac + Schleim-/Becherzellen der Atemwege (in Rot dargestellt) und die Eosinophilen (in Grün dargestellt) mit mit DAPI gefärbten Kernen (in Blau dargestellt) zeigen, Maßstabsleiste – 10 µm. Quantifizierung von (E) Muc5ac+-Zellen pro mm BL und (F) Eosinophilen pro mm2 Fläche in jeder Mäusegruppe. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM dargestellt und mittels ANOVA (n = 5/gp) analysiert. *p < 0,05; **p < 0,01; ***p < 0,001.

Um die Wirkung von PECO auf Proteine zu verstehen, wurde eine Filtermusteranalyse unter Verwendung der Elektrophoresetechnik mit Allergen- und Nichtallergenproteinen wie Fel d1 sowie A. niger-Protein bzw. Rinderserumalbumin (BSA) durchgeführt. Das Protokoll wurde an zwei Arten von PECO-Medien (PECO 1.0 und PECO 2.0), Kohlenstoff- und HEPA-Filtermedien getestet und die Ergebnisse analysiert, um die Leistung zu vergleichen. PECO 1.0 ist das Legacy-Medium und PECO 2.0 ist ein Upgrade, das derzeit in Molekule-Luftreinigereinheiten verwendet wird.

Wie aus der Grafik in Abb. 5A und Abb. S7 hervorgeht, wurden 98,6 % (± 0,69 %) des BSA auf den PECO 2.0-Medien (derzeit in Molekule-Luftreinigern verwendet) und 53,8 % (± 1,88 %) auf den PECO 1.0-Medien abgebaut ( (älterer PECO-Filter) bei 30-minütiger Einwirkung von UV-A, wohingegen nur 12,1 % (± 18,13 %) bzw. 7,0 % (± 12,13 %) denaturiert wurden oder auf den Kohle- bzw. HEPA-Filtern adsorbiert blieben. Als nächstes wurde der A. niger-Proteinextrakt 5 und 15 Minuten lang einer UV-A-Bestrahlung ausgesetzt. Nach 5 Minuten UV-A-Bestrahlung (Abb. S8) wurde der A. niger-Proteinextrakt auf den PECO 1.0- und 2.0-Medien zu 69 % (± 1,25 %) bzw. 89,6 % (± 1,0 %) abgebaut. Nach 15 Minuten UV-A-Bestrahlung (Abb. S9) wurde der A. niger-Proteinextrakt auf den PECO 1.0- und 2.0-Medien zu 100 % (± 1,0 %) abgebaut (Abb. 5B). In ähnlicher Weise wurde reines Feld1, wie durch SDS-PAGE-Analyse bestimmt, auf PECO 1.0- und 2.0-Medien in 30 Minuten UV-A-Exposition vollständig abgebaut (Abb. S10).

Filtermusteranalyse, die (A) den Prozentsatz des BSA-Proteinabbaus bei 30-minütiger UV-A-Exposition und (B) den Prozentsatz des A. niger-Proteinextraktabbaus nach 5 und 15 Minuten UV-A-Exposition zeigt. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM dargestellt und durch ANOVA analysiert (n = 3); **p < 0,01.

Die Proteinanalyse von rohem CDE durch SDS-PAGE-Analyse war umständlich, da auf der Elektrophoreseplatte keine deutlichen Banden beobachtet wurden. Deshalb haben wir das S-Trap Mini Ultra-High Recovery-Protokoll und die Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie untersucht, um ein vollständiges Profil der Proteine aus dem Katzenschuppenextrakt zu erstellen, und die Zerstörung von CDE-Proteinen auf den PECO-Filtrationsmedien bewertet. Perseus-Software wurde verwendet, um Allergene aus der UniProt-Datenbank für Felis silvestris catus zu kommentieren. Der Proteinabbau wird als prozentuale Abnahme zwischen den LFQ-Intensitäten der gesamten Katzenhaarlösung gemessen (Abb. 6A–D). Insgesamt wurden durch LCMS-Analyse für die Kontrollprobe (CDE-Lösung) 4492 einzigartige Peptide identifiziert und von diesen wurden 2731 (61 %) Peptide durch PECO 2.0-Medien vollständig abgebaut, wenn sie eine Stunde lang UV-A ausgesetzt wurden. Andererseits zeigten HEPA-Muster eine Peptidreduktion von < 8 %, was hauptsächlich auf die Ineffizienz bei der vollständigen Extraktion der eingeschlossenen Proteine in den Musterproben zurückzuführen ist (Abb. 6E). Diese Daten unterstützen die Tiermodellstudie und veranschaulichen die PECO-Technologie als zusätzliches Managementinstrument für Allergiker.

Der PECO 2.0 zeigte eine geringere Anzahl an Proteinen im Vergleich zu den unbeschichteten und HEPA-Filtermedienmustern, die mit Katzenschuppenextrakt kontaminiert waren. Histogramme, die die Anzahl der Proteine (Counts) und ihre Log2-Intensitätswerte für (A) Katzenschuppen/Kontrolle, (B) unbeschichtete Filtermedien (U), (C) HEPA-Medien (H) und (D) PECO 2.0-Filtermedien zeigen (LC) mit Katzenhaaren verunreinigt. (E) Der Prozentsatz des Proteinabbaus durch Normalisierung mit Kontroll-/Gesamtlösung von Katzenschuppen. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM dargestellt und durch ANOVA analysiert (n = 3); **p < 0,01.

Die vorliegende Studie zeigt, dass ein entwickeltes Mausmodell der chronischen inhalativen Exposition von aerosolisiertem CDE in einer Ganzkörper-Expositionskammer in Innenräumen eine Hyperreaktivität der Atemwege und eine asthmaähnliche Reaktion hervorruft. Insbesondere waren der Atemwegswiderstand, die Eosinophilenwerte in BALF, die IgE-Werte im Blutplasma und die Zytokin-IL-13-Werte bei Mäusen, die in der PC-Gruppe CDE ausgesetzt waren, mit einem Luftreiniger, der mit einem Scheinluftfilter ausgestattet war, signifikant höher. Die histopathologische Untersuchung zeigte eine Schleimmetaplasie in den Atemwegen dieser Tiere. Obwohl sowohl PFD als auch HFD die Fel d1-Werte unterhalb der Nachweisgrenze in der Testkammer eliminieren und dabei helfen, die in der PC-Gruppe beobachteten Effekte abzuschwächen, haben wir interessanterweise festgestellt, dass der PECO-Filter effizienter arbeitet als der HEPA-Filter.

Zu den wichtigsten klinischen Phänotypen der allergischen Asthmareaktion gehören eosinophile Infiltration, Atemwegsverengung und Schleim-/Schleim-Überexpression im Atemtrakt. Die Entzündungsreaktion nach Allergenexposition/-sensibilisierung beinhaltet eine erhöhte Sekretion von IL-4, IL-5, IL-13, Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierendem Faktor (GM-CSF) und zusätzlichen Zytokinen/Chemokinen, was zur Rekrutierung und Aktivierung führt anderer Immunzellen15,16,17,18. Eine Änderung der zirkulierenden Konzentration von Immunglobulin E19, einem weiteren klassischen Immunphänotyp, verschlimmert die Entzündungsreaktion, die zur asthmatischen Exazerbation führt, weiter. Dementsprechend werden derzeit zusätzlich zu herkömmlichen Therapien wirksamere Therapeutika entwickelt, die auf diese proinflammatorischen Moleküle abzielen. Beispielsweise zeigt eine auf Anti-IL-5-Antikörpern basierende Therapie in laufenden klinischen Studien ein gewisses Potenzial gegen allergische asthmatische Reaktionen19,20. Allerdings haben diese Therapien, einschließlich solcher, die auf IgEs, Eosinophilie oder Atemwegshyperplasie abzielen, in präklinischen und klinischen Studien nur begrenzten Erfolg gezeigt16,17,21,22. Daher ist die vollständige Vermeidung einer Allergenexposition und/oder Sensibilisierung eine entscheidende vorbeugende Maßnahme für Patienten mit allergischem Asthma, bei der eine Umgebung frei von aktiven Allergenen aufrechterhalten wird. Diese Studie legt nahe, dass die neuartige PECO-unterstützte Luftfiltration eine Möglichkeit bieten könnte, diesen Bedarf zu decken.

Es wurde berichtet, dass Patienten, die an allergischem Asthma leiden, durch den Einsatz von Luftreinigern Linderung verschaffen könnten. Es sind jedoch eingehendere Untersuchungen erforderlich, um die Gesamtwirkung zu verbessern23. Studienergebnisse waren oft nicht schlüssig, vor allem aufgrund der Verwendung ungeeigneter experimenteller Modelle oder Studiendesigns. Beispielsweise untersuchte eine Studie die Wirkung der Verwendung von HEPA-Filtern mit Luftreinigern in Klassenzimmern auf Schüler mit aktivem Asthma und stellte fest, dass der schulweite Einsatz von HEPA-Filterreinigern die Symptome bei Patienten mit aktivem Asthma nicht wesentlich linderte24. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass zusätzliche Untersuchungen und Studien erforderlich sind, um den Zusammenhang zwischen Luftreinigung und Asthmalinderung besser zu verstehen. Interessanterweise wurden auch Modifikationen von HEPA-Filtern wie Beschichtungen oder chemische Modifikationen vorgeschlagen, um ihre Effizienz beim Einfangen von Krankheitserregerpartikeln zu verbessern25. Dabei wird deutlich, dass es bei der Luftreinigung um mehr geht als nur um die physikalische Filterung der Partikel.

Es wird vorgeschlagen, dass PFDs neuartige Verbesserungen der derzeit auf dem Markt verfügbaren Filtertechnologien darstellen. Sie bieten eine zusätzliche Schutzschicht durch einen nanobeschichteten Filter, der organische Stoffe zu harmlosen Stoffen, Wasser und Kohlendioxid oxidiert. Diese neuartige Technologie bietet außergewöhnliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Filtrationstechnologien in einer Zeit, in der der Bedarf an einer erfolgreichen Eliminierung von Krankheitserregern durch Filtrationselemente nicht umfassend gedeckt wurde26. Hier zeigen wir, dass die PECO-basierte Luftfiltration möglicherweise eine starke Wirksamkeit hat, um die Auswirkungen eines CDE-vermittelten Asthmamodells in einer Ganzkörperexpositionsumgebung für Nagetiere abzuschwächen.

Die HEPA-Filtration funktioniert durch einen Einfangmechanismus, der Impaktion, Diffusion und Abfangen mit einem Wirkungsgrad von 99,97 % umfasst, d. h. von 10.000 Partikeln können nur drei Partikel den Filter passieren. PECO funktioniert zusätzlich zum Einfangmechanismus durch Kollisions-, Adsorptions- und Oxidationsreaktionsmechanismen. Allergene Proteinpartikel können den HEPA-Filter unbeschadet passieren und allergische Reaktionen hervorrufen. Andererseits können Allergenproteine aufgrund ihrer Reaktion mit reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) beim Durchgang durch den PECO-Filter denaturiert werden. Die Filtertechnologie von Molekule Air-Mini basiert auf nanokatalytischem TiO2 und energiearmem UV-A-Licht, das eine Vielzahl von Reaktionen (Gl. 1 bis 7) auf der Filteroberfläche unterstützt und ausreichend kurzlebige ROS, einschließlich Hydroxyl, erzeugt Radikale, Peroxid- und Superoxidionen, um Allergenproteine effizient zu harmlosen Produkten wie CO2, N2, H2O usw. zu oxidieren. Die Optimierung der PECO-Reaktionsgeschwindigkeit wurde durch eine große PECO-Filtrationsoberfläche, optimale Luftströmungseigenschaften und UVA-LED-Lichtintensität erreicht.

Basierend auf der berichteten Studie am Tiermodell und der anschließenden proteomischen Analyse kann folgende Schlussfolgerung gezogen werden:

Standardmethoden zur Bestimmung des Partikelgehalts allein reichen nicht aus, um die Wirksamkeit von Luftreinigungsgeräten zu bewerten, insbesondere im Hinblick auf gesundheitliche Bedenken.

Das Vorhandensein von Fel d1 in der Luft unterhalb der Nachweisgrenze könnte bei Mäusen allergische Reaktionen hervorrufen.

Die auf photoelektrochemischer Oxidation basierende Luftreinigungstechnologie ist ein effizientes Werkzeug zum Abbau von Allergenen in der Luft.

Die Zerstörung von Allergenproteinen auf dem PECO-Filter wirkt sich über die physikalischen Filterparameter hinaus auf die Leistung des Luftreinigers aus und bietet eine zusätzliche Schutzschicht.

Die Hauptbeschränkung dieser Studie liegt in der Anzahl der pro Gruppe verwendeten Tiere. Wir verwendeten 10 Tiere pro Gruppe und für einige Analysen verwendeten wir nur fünf Tiere. Daher sind weitere Studien mit einer größeren Anzahl von Tieren erforderlich, um die Wirksamkeit der Luftfiltergeräte zu ermitteln und die präklinischen und klinischen Studien zu entwerfen, die erforderlich sind, um den klinischen Einsatz dieser Geräte zu beschleunigen. Zusammenfassend haben wir hier gezeigt, dass das Potenzial von Rettungswesten vielversprechend ist und weiterer Erforschung bedarf. Ihr Nutzen, der es Patienten mit allergischem Asthma ermöglicht, eine Sensibilisierung zu vermeiden, in Kombination mit ihrem tragbaren Design macht sie zu hervorragenden Kandidaten für die weitere Entwicklung. Weitere groß angelegte präklinische Studien und Technologieentwicklungen sind erforderlich, um die klinische Wirksamkeit solcher Filtergeräte für den menschlichen Gebrauch nachzuweisen.

Es sind dringend kontrollierte Studien erforderlich, um die Auswirkungen tragbarer Luftreiniger auf das Auftreten von Atemwegsinfektionen zu untersuchen27. Schließlich soll in diesen Versuchsmodellen auch die Bewertung einer Filterlebensdauer und des Austauschbedarfs untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurde eine Modellierung des Staubbeladungsgrads als Methode zur Überwachung der Notwendigkeit eines Filteraustauschs vorgeschlagen und zeigt Potenzial für eine weitere Entwicklung auf28.

Männliche pathogenfreie Wildtyp-C57BL/6J-Mäuse (WT) im Alter von 18 Wochen wurden vom Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME) gekauft und 10 Tage lang unter pathogenfreien Bedingungen unter Quarantäne gestellt. Alle Experimente wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) genehmigt und an der Florida International University (FIU) durchgeführt, einer von der Association for the Assessment and Accreditation for Laboratory Animal Care International anerkannten Einrichtung. Kurz gesagt, nach der Quarantäne wurden 40 Mäuse (n = 10/Gruppe) vor der Studie fünf Tage lang an die Expositionskammern akklimatisiert. Anschließend wurden die Mäuse gewogen, randomisiert und in vier Gruppen eingeteilt, wie in Tabelle 3 gezeigt. Mäuse der Gruppe 1 oder der Negativkontrollgruppe (NC) wurden in eine Kammer mit dem „Schein“-Luftfilter (tragbarer Luftfilter ohne aktive Filtereinheit) gegeben ), um die Auswirkungen von Lärm, Hitze und Vibration der Filtereinheiten zu kontrollieren, und Mäuse wurden nur der Raumluft ausgesetzt. Die anderen drei Gruppen wurden 6 Wochen lang an wechselnden Tagen CDE-Aerosol (Greer Labs, Lenoir, NC) ausgesetzt. Mäuse der Gruppe 2 oder der Positivkontrollgruppe (PC) hatten einen Scheinluftfilter. Mäuse der Gruppe 3 oder der PFD-Gruppe hatten eine PECO-unterstützte Filtereinheit in der Kammer. Mäuse der Gruppe 4 oder der HFD-Gruppe hatten die traditionelle HEPA-Filtereinheit in der Kammer.

Der detaillierte schrittweise Aufbau der Kammer, die CDE-Aerosolisierung, die Luftprobenahme und die Tierexpositionsverfahren wurden in den Zusatzinformationen unter Protokoll S1 vorgestellt. Hier kurz gesagt, wurden die Ganzkörper-Inhalations-Expositionskammern konfiguriert und maßgeschneidert, um den Expositionsplan effizient zu verwalten (Abb. S3). Die Mäuse der PC-, PFD- und HFD-Gruppe wurden in ihren eigenen Kammern CDE-Aerosolen ausgesetzt, und die Mäuse der NC-Gruppe wurden Raumluft mit dem Scheinluftfilter in einem separaten Raum ausgesetzt, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden. Um eine vollständige Exposition zu gewährleisten, wurde in allen Kammern der Deckel des Filterkäfigs entfernt, sodass die Tiere die darüber liegende klimatisierte Umgebung einatmen konnten. Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in allen Kammern wurden während der Expositionen überwacht. Mäuse in der PC-, PFD- und HFD-Gruppe wurden 6 Wochen lang 1 Stunde/Tag und 3 Tage/Woche CDE-Aerosolen ausgesetzt, wie in Abb. S4 dargestellt. Das Atemvolumen der Maus pro Minute beträgt 1,46 ml Luft/Gramm Mausmasse29,30. Eine Massenbilanzgleichung mit für unsere Kammer und unser Experiment spezifischen Variablen wurde verwendet, um die Ausgangskonzentration von CDE/L-Luft in den Expositionskammern zu bestimmen. Abbildung S5 in den Zusatzinformationen zeigt den natürlichen Abfall des CDE-Spiegels in der Kammer während einer Dauer von 1 Stunde. CDE wurde mit einer Spritzenpumpe und einem Blaustein-Atomisierungsmodul (BLAM, CH Technologies USA, Westwood, NJ) vernebelt, um eine CDE-Ablagerung bei 20 μg CDE/Maus zu erreichen, d. h. durchschnittlich 7,61 μg CDE/L Kammerluft7. Die Aerosolproben wurden unmittelbar nach der CDE-Aerosolisierung mithilfe einer Probensammelkassette gesammelt, die an den Gilian 5000-Probenehmer angeschlossen war. Die Kammerluft wurde eine Stunde lang mit den entsprechenden Luftfiltergeräten gefiltert und nach der Filterung wurde eine weitere Kammerluftprobe entnommen. Die Analyse des Fel d1-Gehalts an Katzenschuppen in allen Luftproben wurde von Indoor Technologies Inc. durchgeführt.

Anschließend wurden die Mäuse eine Stunde lang in die jeweiligen Kammern eingeführt, wobei während der Exposition kontinuierlich Luft filtriert wurde. Jede Maus in der Studie wurde zweimal täglich auf klinische Anzeichen von Stress oder Inaktivität beobachtet. Alle Mäuse wurden während des Untersuchungszeitraums und schließlich auch bei der Autopsie wöchentlich gewogen. Am Ende der Studie wurden die Lungenfunktionsparameter für fünf Mäuse in jeder Gruppe bestimmt. Der Rest der Mäuse in jeder Gruppe wurde eingeschläfert und Blutplasma-, BALF- und Lungengewebeproben wurden gesammelt und zur weiteren Analyse aufbewahrt.

Mäuse, die für Lungenfunktionstests vorgesehen waren, wurden mit einem Ketamin/Xylazin (K/X)-Cocktail in einer Konzentration von 80–100/5–10 mg/kg K/X-Cocktail über eine einzige IP-Injektion anästhesiert und die Lungenfunktionen wurden getestet erzwungene Oszillationstechniken unter Verwendung des Buxco® Resistance and Compliance (R/C)-Systems (Data Sciences International Inc., Holliston, MA). Die Lungenfunktionen wurden nach Herausforderungen mit aerosolisiertem Methacholin (MCh) beurteilt, um die Hyperreaktivität der Atemwege (Resistenz und Compliance) zu beurteilen. Anästhesierte Mäuse wurden über einen kleinen oberflächlichen Einschnitt im ventralen Halsbereich über der Luftröhre intubiert und die Luftröhre mit einer Kanüle versehen. Die Beatmung erfolgte durch die Kanüle durch Überdruckmanöver am R/C-Gerät. Für jede Maus wurden Basismessungen des Widerstands und der Compliance durchgeführt, die aus einem langsamen schrittweisen oder kontinuierlichen (Rampen-)Aufblasen auf die gesamte Lungenkapazität und einem Deflation zurück auf die forcierte Atmungskapazität unter Kontrolle des Drucks bestanden. Unmittelbar nach den Grundlinienmessungen wurden steigende Dosen Methacholin (in der folgenden Reihenfolge: 0, 1, 3, 6, 12, 25 und 50 mg/ml) über Vernebelung und Atemwegswiderstand (RL) sowie dynamische Compliance (Cdyn) verabreicht gemessen. Anschließend wurden die Mäuse eingeschläfert, Blutplasma und Lungengewebe entnommen und für weitere Analysen aufbewahrt.

Für die geplanten Autopsien wurden Mäuse unter Verwendung einer Euthasol-Lösung (390 mg Natriumpentobarbital/50 mg Phenytoin-Natrium, Virbac AH Inc., Carros, Frankreich) durch intraperitoneale (IP) Injektion (200 μg/g Körpergewicht) auf humane Weise eingeschläfert. Die erfolgreiche Euthanasie wurde durch Ausbluten und anschließende Autopsie am offenen Brustkorb bestätigt. Blutplasma wurde in mit Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) beschichteten Röhrchen gesammelt und die Lungen mit PBS-Lösung perfundiert. Die Luftröhre wurde kanüliert, die gesamte Lungen-Herz-Einheit herausgeschnitten und BALF mit kaltem PBS gesammelt. Anschließend wurde Lungengewebe gesammelt und die rechten Lungenlappen eingefroren und der linke Lungenlappen mit einer Zinkformalinlösung bei konstantem Druck fixiert, wie zuvor beschrieben17.

Nach der Zentrifugation wurde Blutplasma in EDTA-beschichteten Röhrchen gesammelt und Aliquots zur weiteren Analyse aufbewahrt. Die kanülierten, herausgeschnittenen Lungen wurden dreimal mit 0,5 ml kaltem PBS gespült. Zur Fraktionierung wurde das gesammelte BALF 10 Minuten lang bei 4 °C und 1000 × g zentrifugiert, und der Superintend wurde gesammelt, aliquotiert und zur weiteren Analyse bei –80 °C gelagert. Die verbleibenden Zellpellets wurden in 0,2 ml kaltem PBS mit 0,1 % BSA resuspendiert. Davon wurden 20 µl Zellsuspension mit dem gleichen Volumen 0,4 % Trypanblau gemischt und die gesamten lebenden BAL-Zellen wurden mit dem automatischen Zellzähler TC20 (Bio-Rad) gezählt. Anschließend wurden 50 µl Zellsuspension mit Cytospin 2 (Shandon) auf Objektträger für Färbeverfahren zytogesponnen. Zur Differenzialzählung wurden fixierte Objektträger mit Camco Quik Stain II gefärbt und Eosinophile wurden mit dem All-in-One-Mikroskopiesystem BZX700 (Keyence Inc., Osaka, Japan) gemessen. Verschiedene Objektträger wurden auf Eosinophile immungefärbt (Kat.-Nr. NBP1-42140; Novus Biologicals, CO) und mit DAPI gegengefärbt. Plasma und BALF wurden durch spezifische ELISAs gemäß den Herstellerangaben auf IgE- (Kat.-Nr. LS-F5589; LSBio, Seattle, WA) und TH2-Zytokinspiegel (z. B. IL-13, Kat.-Nr. MBS355405; MyBio Source, San Diego, CA) analysiert ' Anweisungen.

Die formalinfixierten Lungen wurden dann zur Paraffineinbettung verarbeitet und Lungengewebeschnitte wurden vorbereitet. Zur Beurteilung der groben Lungenmorphologie wurde eine histochemische Färbung mit Hämatoxylin und Eosin (H&E) durchgeführt. Serienschnitte wurden auch mit Alcianblau (Richard-Allan Scientific) und Periodic Acid Schiff's Reagens Färbemittel (AB/PAS) gefärbt, um Mucin-Glykoproteine wie zuvor beschrieben zu färben17. Die Anzahl der Atemwegsepithelzellen und Schleimzellen pro mm Basallamina5 wurde mit dem All-in-One-Mikroskopiesystem BZX700 (Keyence Inc., Osaka, Japan) gemessen. Separate Schnitte wurden auf Atemwegsmucin MUC5AC (Kat.-Nr. MAB2011; Millipore Inc., MA) und Eosinophil (Kat.-Nr. NBP1-42140; Novus Biologicals, CO) immungefärbt, wobei die zuvor beschriebene Dual-Färbetechnik angewendet wurde18. In allen Fällen wurden Quantifizierung und Morphometrie von einer Person durchgeführt, die die Identität des Objektträgers nicht kannte.

Das detaillierte Schritt-für-Schritt-Swatch-Testprotokoll wurde in den Zusatzinformationen unter Protokoll S2 vorgestellt.

Für diese erste Studie wurde eine Lösung von Rinderserumalbumin (BSA) in einer Konzentration von 5 mg/ml verwendet. Zur Demonstration des Proteinabbaus wurden Muster von PECO-, Kohlenstoff- und HEPA-Filtern (1 cm × 1 cm) verwendet. Die Medien wurden vor der Beimpfung des Proteins mindestens 1 Stunde lang einer UV-A-Lichtquelle ausgesetzt. 10 µL der 5-mg/ml-Lösung wurden unter Umgebungsbedingungen auf Stoffproben pipettiert und für einen Zeitraum von 0 bis 30 Minuten unter die UV-A-Lichtquelle gestellt. Anschließend wurden die Stoffproben in 100 µl 0,5 % phosphatgepufferte Lösung + Tween-20 (PBST) gegeben und eine Minute lang kräftig gevortext. Gleiche Volumina der Lösung, die das Muster und 4× Laemmli-Puffer enthielt, wurden in ein frisches 1,5-ml-Mikrozentrifugenröhrchen mit Flip-Cap überführt. Die Proben wurden 3–5 Minuten lang auf 95 °C erhitzt, bevor 10 µL zur Analyse in jede Vertiefung eines Gels geladen wurden. Die Proteinleiter wurde gemäß den Herstellerrichtlinien (Thermo Scientific, Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder) zusammen mit den Proben geladen. Die Gele wurden gemäß den Richtlinien des Herstellers (Thermo Scientific, Gel Code Blue) gefärbt und mit destilliertem Wasser entfärbt. Es wurden Bilder des Gels aufgenommen und die Analyse der Bilder mithilfe des Open-Source-Java-Bildverarbeitungsprogramms ImageJ durchgeführt. Die Intensität des Flecks auf dem Elektrophoresegel wurde verwendet, um den Prozentsatz des Proteinabbaus/der Proteinadsorption auf den jeweiligen Filtermedien zu bestimmen. Bekannte BSA-Konzentrationen wurden geladen, mit SDS-PAGE ausgeführt und mit ImageJ analysiert. Die Kalibrierungskurve (Abb. S6) zeigt, dass die Analyse über ImageJ zuverlässig verwendet werden kann und genaue Informationen zur Proteinanalyse liefert.

Die Fällung von Proteinen mit Trichloressigsäure (TCA) wurde an Rohextrakt von Aspergillus niger und Katzenschuppen durchgeführt, um die Konzentration von Verunreinigungen zu verringern und die Konzentration von Proteinen zu erhöhen. 100 µL TCA wurden zu 1 ml Rohextrakt gegeben und 30–60 s lang kräftig gevortext. Das Protein wurde 30–60 Minuten lang auf Eis ausgefällt, bevor es 10 Minuten lang bei 10.000 × g und 4 °C zentrifugiert wurde. Der Überstand wurde abgesaugt und das Pellet zweimal mit 500 µL eiskaltem Aceton gewaschen, gefolgt von einer 5-minütigen Zentrifugation bei 10.000 × g und 4 °C. Der Überstand wurde jedes Mal abgesaugt und das Pellet an der Luft trocknen gelassen. Die Proben wurden in 50 µL 0,5 % PBST resuspendiert und bis zur weiteren Verwendung bei –20 °C aufbewahrt. Katzenschuppen- und A. niger-Proteinextrakte wurden einer ähnlichen Behandlung des BSA-Abbaus unter Verwendung von PECO-beschichteten Medienproben (1 cm × 1 cm) unterzogen. Es wurden Bilder des Gels aufgenommen und anschließend mit dem Open-Source-Java-Bildverarbeitungsprogramm analysiert , BildJ.

Als nächstes führten wir eine proteomische Analyse von CDE durch, um sicherzustellen, dass gleiche Proteinvolumina (100 μl), die aus Filtermedienproben extrahiert wurden, für LC-MS/MS unter Verwendung von S-Traps (Protifi) verarbeitet wurden (Abb. S11)31,32. Die Proteine wurden mit Dithiothreitol (DTT) reduziert, mit Iodacetamid (IAA) alkyliert, mit Phosphorsäure angesäuert und mit S-Trap-Ladepuffer (90 % Methanol, 100 mM TEAB) kombiniert. Die Proteine wurden auf S-Traps geladen, gewaschen und schließlich über Nacht bei 37 °C mit Trypsin/Lys-C verdaut. Die Peptide wurden mit einem Vakuumkonzentrator eluiert und getrocknet. Für die LC-MS/MS-Analyse wurden die Peptide in H2O/1 % Acetonitril/0,1 % Ameisensäure resuspendiert.

Die Peptide wurden mithilfe einer 75 µm × 50 cm großen C18-Umkehrphasen-HPLC-Säule (Thermo Scientific) auf einem Ultimate 3000 UHPLC (Thermo Scientific) mit einem 120-minütigen Gradienten (2–32 % ACN mit 0,1 % Ameisensäure) aufgetrennt und analysiert auf einem Hybrid-Quadrupol-Orbitrap-Instrument (Q Exactive Plus, Thermo Fisher Scientific). Vollständige MS-Umfragescans wurden mit einer Auflösung von 70.000 erfasst. Die zehn am häufigsten vorkommenden Ionen wurden für die MS/MS-Analyse ausgewählt.

Rohdatendateien werden in MaxQuant (Version 2.1.4, www.maxquant.org) verarbeitet und anhand der aktuellen Uniprot Felis catus-Proteinsequenzdatenbank durchsucht. Zu den Suchparametern gehörten die konstante Modifikation von Cystein durch Carbamidomethylierung und die variablen Modifikationen Methioninoxidation und Protein-N-Term-Acetylierung. Proteine wurden anhand der Filterkriterien einer Protein- und Peptid-Falscherkennungsrate von 1 % identifiziert. Die Proteinintensitätswerte wurden mithilfe der MaxQuant-label free quantitation (LFQ)-Funktion33 normalisiert.

Die gruppierten Ergebnisse wurden als Mittelwert ± SEM ausgedrückt und p < 0,05 wurde als signifikant angesehen. Die Daten wurden mit der GraphPad Prism Software (GraphPad Software Inc., San Diego, CA) unter Verwendung einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) oder einer zweifaktoriellen ANOVA und mit einer Post-hoc-Mehrfachvergleichsanalyse analysiert. Wenn signifikante Effekte festgestellt wurden (p < 0,05), wurden der geringste signifikante Unterschied nach Fisher und der Student-T-Test verwendet, um die Unterschiede zwischen den Gruppen zu bestimmen.

Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Alle Methoden werden gemäß den ARRIVE-Richtlinien (https://arriveguidelines.org) gemeldet.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Die Autoren möchten Frau Natalia Orso für ihre Unterstützung bei ausgewählten Expositionsstudien und Rahmy Tawfik für die Proteinabbaustudien danken.

Diese Arbeit wurde von Molekule Group, Inc. (AWD 12844) unterstützt.

Abteilung für Immunologie und Nanomedizin, Herbert Wertheim College of Medicine, Florida International University, 11200 SW 8th St, Miami, FL, 33199, USA

Dinesh Devadoss, Marko Manevski, Arianne Chung, Francisco de Leon und Hitendra S. Chand

Forschung und Entwicklung, Molekule Group, Inc., 3802 Spectrum Blvd, Tampa, FL, 33612, USA

Kerri Surbaugh, Chatura Wickramaratne und Jaspreet S. Dhau

Abteilung für Zellbiologie, Mikrobiologie und Molekularbiologie, University of South Florida, Tampa, FL, 33612, USA

Dale Chaput

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DD trug zur Methodik, zum Schreiben und zur formalen Analyse von Tierstudiendaten bei. KS trug zur Entwicklung eines Protokolls zur Exposition gegenüber Hautschuppen bei Katzen, zur Entnahme von Luftproben und zu Analyseprotokollen sowie zur Untersuchung des Proteinabbaus einschließlich Proteomik bei. MM trug zu den Tierversuchen bei. CW trug zum Entwurf und zur Herstellung der Ganzkörper-Belichtungskammer bei. DC trug zur proteomischen Studie bei. AC trug zu den Tierversuchen bei. FL trug zu den Tierstudienexperimenten bei. HSC trug zur Konzeptualisierung, zum Schreiben, zur formalen Analyse von Tierstudiendaten und zur Aufsicht bei. JSD trug zur Konzeptualisierung, zum Schreiben, zur Visualisierung, zur formalen Analyse (Tier- und Proteinabbaustudie einschließlich Proteomik) und zur Projektverwaltung bei. und Aufsicht.

Korrespondenz mit Dinesh Devadoss oder Jaspreet S. Dhau.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Devadoss, D., Surbaugh, K., Manevski, M. et al. Die Reinigung der Raumluft durch photoelektrochemische Oxidation mildert allergische Atemwegsreaktionen auf aerosolisierte Katzenhaare in einem Mausmodell. Sci Rep 13, 10980 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38155-0

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Eingegangen: 27. Januar 2023

Angenommen: 04. Juli 2023

Veröffentlicht: 06. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38155-0

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