Oral nintedanib is marketed for the treatment of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). While effective slowing fibrosis progression, as an oral medicine nintedanib is limited. To reduce side effects and maximize efficacy, nintedanib was reformulated as a solution for nebulization and inhaled administration. To predict effectiveness treating IPF, the nintedanib pharmacokinetic/pharmacodynamic relationship was dissected. Pharmacokinetic analysis indicated oral-delivered nintedanib plasma exposure and lung tissue partitioning were not dose-proportional and resulting lung levels were substantially higher than blood. Although initial-oral absorbed nintedanib efficiently partitioned into the lung, only a quickly eliminated fraction appeared available to epithelial lining fluid (ELF). Because IPF disease appears to initiate and progress near the epithelial surface, this observation suggests short duration nintedanib exposure (oral portion efficiently partitioned to ELF) is sufficient for IPF efficacy. To test this hypothesis, exposure duration required for nintedanib activity was explored. In vitro, IPF-cellular matrix (IPF-CM) increased primary normal human fibroblast (nHLF) aggregate size and reduced nHLF cell count. IPF-CM also increased nHLF ACTA2 and COL1A expression. Whether short duration (inhalation mimic) or continuous exposure (oral mimic), nintedanib (1-100 nM) reversed these effects. In vivo, intubated silica produced a strong pulmonary fibrotic response. Once-daily (QD) 0.021, 0.21 and 2.1 mg/kg intranasal (IN; short duration inhaled exposure) and twice daily (BID) 30 mg/kg oral (PO; long duration oral exposure) showed that at equivalent-delivered lung concentrations, QD short duration inhaled nintedanib exposure (0.21 mg/kg IN vs. 30 mg/kg PO) exhibited equivalent-to-superior activity as BID oral (reduced silica-induced elastance, alpha-smooth muscle actin, interleukin-1 beta (IL-1β) and soluble collagen, and lung macrophage and neutrophils). An increased lung dose (2.1 mg/kg IN vs. 30 mg/kg PO) exhibited increased effect by further reducing silica-induced elastance, IL-1β and soluble collagen. Neither oral nor inhaled nintedanib reduced silica-induced parenchymal collagen. Both QD inhaled and BID oral nintedanib reduced silica-induced inflammatory index with oral achieving significance. In summary, nintedanib pulmonary anti-fibrotic activity can be achieved using small, infrequent inhaled doses to deliver oral equivalent-to-superior therapeutic effect.

Pulmonary fibrosis is a progressive lung disease characterized by myofibroblast accumulation and excessive extracellular matrix deposition. Endoplasmic reticulum (ER) stress initiates the unfolded protein response (UPR), a cellular stress response pathway that has been implicated in both inflammatory and fibrotic processes. Here, we sought to investigate the role of the 13 kDa FK506-binding protein (FKBP13), an ER stress-inducible molecular chaperone, in various forms of pulmonary fibrosis. We first characterized the gene and protein expression of FKBP13 in lung biopsy samples from 24 patients with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and 17 control subjects. FKBP13 expression was found to be elevated in the fibrotic regions of IPF lung tissues, and within this cohort, was correlated with declining forced vital capacity and dyspnea severity. FKBP13 expression was also increased in lung biopsies of patients with hypersensitivity pneumonitis, rheumatoid arthritis, and sarcoidosis-associated interstitial lung disease. We next evaluated the role of this protein using FKBP13-/- mice in a bleomycin model of pulmonary fibrosis. Animals were assessed for lung function and histopathology at different stages of lung injury including the inflammatory (Day 7), fibrotic (Day 21) and resolution (Day 50) phase. FKBP13-/- mice showed increased infiltration of inflammatory cells and cytokines at Day 7, increased lung elastance and fibrosis at Day 21, and impaired resolution of fibrosis at Day 50. These changes were associated with an increased number of cells that stained positive for TUNEL and cleaved caspase 3 in the FKBP13-/- lungs, indicating a heightened cellular sensitivity to bleomycin. Our findings suggest that FKBP13 is a potential biomarker for severity or progression of IPF, and that it has a biologically relevant role protecting mice against bleomycin-induced injury, inflammation and fibrosis.

ABSTRACT Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is fatal interstitial lung disease characterized by excessive scarring of the lung tissue and declining respiratory function. Given its short prognosis and limited treatment options, novel strategies to investigate emerging experimental treatments are urgently needed. Macrophages, as the most abundant immune cell in the lung, have key implications in wound healing and lung fibrosis. However, they are highly plastic and adaptive to their surrounding microenvironment, and thus to maximize translation of research to lung disease, there is a need to study macrophages in multifaceted, complex systems that are representative of the lung. Precision-cut lung slices (PCLS) are living tissue preparations derived from the lung that are cultured ex vivo, which bypass the need for artificial recapitulation of the lung milieu and architecture. Our objective was to establish and validate a moderate-throughput, biologically- translational, viable model to study profibrotic polarization of macrophages in the lung using murine PCLS. To achieve this, we used a polarization cocktail (PC), consisting of IL-4, IL-13, and IL-6, over a 72-hour time course. We first demonstrated no adverse effects of the PC on PCLS viability and architecture. Next, we showed that multiple markers of macrophage profibrotic polarization, including Arginase-1, CD206, YM1, and CCL17 were induced in PCLS following PC treatment. Through tissue microarray-based histological assessments, we directly visualized and quantified Arginase-1 and CD206 staining in PCLS in a moderate-throughput manner. We further delineated phenotype of polarized macrophages, and using high-plex immunolabelling with the Iterative Bleaching Extends Multiplexity (IBEX) method, showed that the PC effects both interstitial and alveolar macrophages. Substantiating the profibrotic properties of the system, we also showed expression of extracellular matrix components and fibrotic markers in stimulated PCLS. Finally, we demonstrated that clodronate treatment diminishes the PC effects on profibrotic macrophage readouts. Overall, our findings support a suitable complex model for studying ex vivo profibrotic macrophage programming in the lung, with future capacity for investigating experimental therapeutic candidates and disease mechanisms in pulmonary fibrosis.