Pulmonary fibrosis is a progressive inflammatory disease with high mortality and limited therapeutic options. Previous genetic and immunologic investigations suggest common intersections between idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), sarcoidosis, and murine models of pulmonary fibrosis. To identify immune responses that precede collagen deposition, we conducted molecular, immunohistochemical, and flow cytometric analysis of human and murine specimens. Immunohistochemistry revealed programmed cell death-1 (PD-1) up-regulation on IPF lymphocytes. PD-1+CD4+ T cells with reduced proliferative capacity and increased transforming growth factor-β (TGF-β)/interleukin-17A (IL-17A) expression were detected in IPF, sarcoidosis, and bleomycin CD4+ T cells. PD-1+ T helper 17 cells are the predominant CD4+ T cell subset expressing TGF-β. Coculture of PD-1+CD4+ T cells with human lung fibroblasts induced collagen-1 production. Strikingly, ex vivo PD-1 pathway blockade resulted in reductions in TGF-β and IL-17A expression from CD4+ T cells, with concomitant declines in collagen-1 production from fibroblasts. Molecular analysis demonstrated PD-1 regulation of the transcription factor STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3). Chemical blockade of STAT3, using the inhibitor STATTIC, inhibited collagen-1 production. Both bleomycin administration to PD-1 null mice or use of antibody against programmed cell death ligand 1 (PD-L1) demonstrated significantly reduced fibrosis compared to controls. This work identifies a critical, previously unrecognized role for PD-1+CD4+ T cells in pulmonary fibrosis, supporting the use of readily available therapeutics that directly address interstitial lung disease pathophysiology.

Abstract Although profibrotic cytokines such as IL-17A and TGF-β1 have been implicated in interstitial lung disease (ILD) pathogenesis, interactions between gut dysbiosis, gonadotrophic hormones and molecular mediators of profibrotic cytokine expression, such as phosphorylation of STAT3, have not been defined. Here we show by chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) analysis of primary human CD4+ T cells that regions within the STAT3 locus are significantly enriched for binding by the transcription factor estrogen receptor alpha (ERa). Using the murine model of bleomycin-induced pulmonary fibrosis, we found significantly increased regulatory T cells compared to Th17 cells in the female lung. Genetic absence of ESR1 or ovariectomy in mice significantly increased pSTAT3 and IL-17A expression in pulmonary CD4+ T cells, which was reduced after repletion of female hormones. Remarkably, there was no significant reduction in lung fibrosis under either condition, suggesting that factors outside of ovarian hormones also contribute. Assessment of lung fibrosis among menstruating females in different rearing environments revealed that environments favoring gut dysbiosis augment fibrosis. Furthermore, hormone repletion following ovariectomy further augmented lung fibrosis, suggesting pathologic interactions between gonadal hormones and gut microbiota on lung fibrosis severity. Analysis in female sarcoidosis patients revealed a significant reduction in pSTAT3 and IL-17A levels and a concomitant increase in TGF-β1 levels in CD4+ T cells, compared to male sarcoidosis patients. These studies reveal that estrogen is profibrotic in females and that gut dysbiosis in menstruating females augments lung fibrosis severity, supporting a critical interaction between gonadal hormones and gut flora in lung fibrosis pathogenesis.

Sarcoidosis is a chronic inflammatory disease that can affect any organ in the body. Its exact cause remains unknown, but it is believed to result from a combination of genetic and environmental factors. Some potential causes of sarcoidosis include genetics, environmental triggers, immune system dysfunction, the gut microbiome, sex, and race/ethnicity. Genetic mutations are associated with protection against disease progression or an increased susceptibility to more severe disease, while exposure to certain chemicals, bacteria, viruses, or allergens can trigger the formation of immune cell congregations (granulomas) in different organs. Dysfunction of the immune system, including autoimmune reactions, may also contribute. The gut microbiome and factors such as being female or having African American, Scandinavian, Irish, or Puerto Rican heritage are additional contributors to disease outcome. Recent research has suggested that certain drugs, such as anti-Programmed Death-1 (PD-1) and antibiotics such as tuberculosis (TB) drugs, may raise the risk of developing sarcoidosis. Hormone levels, particularly higher levels of estrogen and progesterone in women, have also been linked to an increased likelihood of sarcoidosis. The diagnosis of sarcoidosis involves a comprehensive assessment that includes medical history, physical examination, laboratory tests, and imaging studies. While there is no cure for sarcoidosis, the symptoms can often be effectively managed through various treatment options. Treatment may involve the use of medications, surgical interventions, or lifestyle changes. These disparate factors suggests that sarcoidosis has multiple positive and negative exacerbants on disease severity, some of which can be ameliorated and others which cannot.