Interleukin (IL)-13 is a key mediator of tissue fibrosis caused by T helper cell type 2 inflammation. We hypothesized that the fibrogenic effects of IL-13 are mediated by transforming growth factor (TGF)-β. To test this hypothesis we compared the regulation of TGF-β in lungs from wild-type mice and CC10-IL-13 mice in which IL-13 overexpression causes pulmonary fibrosis. IL-13 selectively stimulated TGF-β1 production in transgenic animals and macrophages were the major site of TGF-β1 production and deposition in these tissues. IL-13 also activated TGF-β1 in vivo. This activation was associated with decreased levels of mRNA encoding latent TGF-β–binding protein-1 and increased mRNA encoding urinary plasminogen activator, matrix metalloproteinase (MMP)-9, and CD44. TGF-β1 activation was abrogated by the plasmin/serine protease antagonist aprotinin. It was also decreased in progeny of crosses of CC10-IL-13 mice and MMP-9 null mice but was not altered in crosses with CD44 null animals. IL-13–induced fibrosis was also significantly ameliorated by treatment with the TGF-β antagonist soluble TGFβR-Fc (sTGFβR-Fc). These studies demonstrate that IL-13 is a potent stimulator and activator of TGF-β1 in vivo. They also demonstrate that this activation is mediated by a plasmin/serine protease- and MMP-9–dependent and CD44-independent mechanism(s) and that the fibrogenic effects of IL-13 are mediated, in great extent, by this TGF-β pathway.

Chitin is a surface component of parasites and insects, and chitinases are induced in lower life forms during infections with these agents. Although chitin itself does not exist in humans, chitinases are present in the human genome. We show here that acidic mammalian chitinase (AMCase) is induced via a T helper-2 (Th2)–specific, interleukin-13 (IL-13)–mediated pathway in epithelial cells and macrophages in an aeroallergen asthma model and expressed in exaggerated quantities in human asthma. AMCase neutralization ameliorated Th2 inflammation and airway hyperresponsiveness, in part by inhibiting IL-13 pathway activation and chemokine induction. AMCase may thus be an important mediator of IL-13–induced responses in Th2-dominated disorders such as asthma.

Although interleukin (IL) 17 has been extensively characterized, the function of IL-17F, which has an expression pattern regulated similarly to IL-17, is poorly understood. We show that like IL-17, IL-17F regulates proinflammatory gene expression in vitro, and this requires IL-17 receptor A, tumor necrosis factor receptor–associated factor 6, and Act1. In vivo, overexpression of IL-17F in lung epithelium led to infiltration of lymphocytes and macrophages and mucus hyperplasia, similar to observations made in IL-17 transgenic mice. To further understand the function of IL-17F, we generated and analyzed mice deficient in IL-17F or IL-17. IL-17, but not IL-17F, was required for the initiation of experimental autoimmune encephalomyelitis. Mice deficient in IL-17F, but not IL-17, had defective airway neutrophilia in response to allergen challenge. Moreover, in an asthma model, although IL-17 deficiency reduced T helper type 2 responses, IL-17F–deficient mice displayed enhanced type 2 cytokine production and eosinophil function. In addition, IL-17F deficiency resulted in reduced colitis caused by dextran sulfate sodium, whereas IL-17 knockout mice developed more severe disease. Our results thus demonstrate that IL-17F is an important regulator of inflammatory responses that seems to function differently than IL-17 in immune responses and diseases.

Cigarette smoke exposure is the major cause of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). However, only a minority of smokers develop significant COPD, and patients with asthma or asthma-like airway hyperresponsiveness or eosinophilia experience accelerated loss of lung function after cigarette smoke exposure. Pulmonary inflammation is a characteristic feature of lungs from patients with COPD. Surprisingly, the mediators of this inflammation and their contributions to the pathogenesis and varied natural history of COPD are not well defined. Here we show that IL-13, a critical cytokine in asthma, causes emphysema with enhanced lung volumes and compliance, mucus metaplasia, and inflammation, when inducibly overexpressed in the adult murine lung. MMP-2, -9, -12, -13, and -14 and cathepsins B, S, L, H, and K were induced by IL-13 in this setting. In addition, treatment with MMP or cysteine proteinase antagonists significantly decreased the emphysema and inflammation, but not the mucus in these animals. These studies demonstrate that IL-13 is a potent stimulator of MMP and cathepsin-based proteolytic pathways in the lung. They also demonstrate that IL-13 causes emphysema via a MMP- and cathepsin-dependent mechanism(s) and highlight common mechanisms that may underlie COPD and asthma.

The molecular mechanisms underlying the initiation of innate and adaptive proallergic type 2 responses are not understood. Interleukin (IL) 25, a member of the IL-17 cytokine family, was recently reported (Owyang, A.M., C. Zaph, E.H. Wilson, K.J. Guild, T. McClanahan, H.R. Miller, D.J. Cua, M. Goldschmidt, C.A. Hunter, R.A. Kastelein, and D. Artis. 2006. J. Exp. Med. 203:843-849; Fallon, P.G., S.J. Ballantyne, N.E. Mangan, J.L. Barlow, A. Dasvarma, D.R. Hewett, A. McIlgorm, H.E. Jolin, and A.N. McKenzie. 2006. J. Exp. Med. 203:1105-1116) to be important in Th2 cell-mediated immunity to parasitic infection. However, the cellular source and targets of IL-25 are not well understood. We show that mouse IL-25 is expressed by lung epithelial cells as a result of innate immune responses to allergens. Transgenic overexpression of IL-25 by these cells leads to mucus production and airway infiltration of macrophages and eosinophils, whereas blockade of IL-25 conversely reduces the airway inflammation and Th2 cytokine production in an allergen-induced asthma model. In addition, IL-25, with a receptor more highly expressed in Th2 than other effector T cells, promotes Th2 cell differentiation in an IL-4- and signal transducer and activator of transcription 6-dependent manner. During early T cell activation, IL-25 potentiates expression of the nuclear factor of activated T cells c1 and JunB transcription factors, which possibly results in increased levels of initial IL-4 production, up-regulation of GATA-3 expression, and enhanced Th2 cell differentiation. Thus, IL-25 is a critical factor regulating the initiation of innate and adaptive proallergic responses.

The development of atopic dermatitis (AD) in infancy and subsequent allergic rhinitis and asthma in later childhood is known as the atopic march. This progressive atopy is dependent on various underlying factors such as the presence of filaggrin mutations as well as the time of onset and severity of AD. Clinical manifestations vary among individuals. Previously it was thought that atopic disorders may be unrelated with sequential development. Recent studies support the idea of a causal link between AD and later onset atopic disorders. These studies suggest that a dysfunctional skin barrier serves as a site for allergic sensitization to antigens and colonization of bacterial super antigens. This induces systemic Th2 immunity that predisposes patients to allergic nasal responses and promotes airway hyper reactivity. While AD often starts early in life and is a chronic condition, new research signifies that there may be an optimal window of time in which targeting the skin barrier with therapeutic interventions may prevent subsequent atopic disorders. In this review we highlight recent studies describing factors important in the development of atopic disorders and new insights in our understanding of the pathogenesis of the atopic march.

Chronic inflammation containing CD8+ lymphocytes, neutrophils, and macrophages, and pulmonary emphysema coexist in lungs from patients with chronic obstructive pulmonary disease. Although this inflammatory response is believed to cause the remodeling that is seen in these tissues, the mechanism(s) by which inflammation causes emphysema have not been defined. Here we demonstrate that interferon γ (IFN-γ), a prominent product of CD8+ cells, causes emphysema with alveolar enlargement, enhanced lung volumes, enhanced pulmonary compliance, and macrophage- and neutrophil-rich inflammation when inducibly targeted, in a transgenic fashion, to the adult murine lung. Prominent protease and antiprotease alterations were also noted in these mice. They included the induction and activation of matrix metalloproteinase (MMP)-12 and cathepsins B, H, D, S, and L, the elaboration of MMP-9, and the selective inhibition of secretory leukocyte proteinase inhibitor. IFN-γ causes emphysema and alterations in pulmonary protease/antiprotease balance when expressed in pulmonary tissues.

Atopic dermatitis (AD) is an inflammatory disease characterized by pruritic skin lesions. The pathogenesis of AD may include disrupted epidermal barrier function, immunodysregulation, and IgE-mediated sensitization to food and environmental allergens. AD is also part of a process called the atopic march, a progression from AD to allergic rhinitis and asthma. This has been supported by multiple cross-sectional and longitudinal studies and experimental data. Research on the mechanisms of AD has been centered on the adaptive immune system with an emphasis on the T-helper 1 (Th1)-Th2 paradigm. Recently, the conceptual focus has largely shifted to include a primary defect in the epithelial barrier as an initial event in AD providing a significant insight into the disease initiation and pointing to a complex secondary interplay of environmental and immunological sequelae with barrier disruption. Further understanding of AD will help the development of more effective treatment for AD and ultimately, preventative algorithms for the atopic march. In this review we highlight recent advances in our understanding of the pathogenesis of AD and the atopic march.