Rationale: T-helper type 2 (Th2) inflammation, mediated by IL-4, IL-5, and IL-13, is considered the central molecular mechanism underlying asthma, and Th2 cytokines are emerging therapeutic targets. However, clinical studies increasingly suggest that asthma is heterogeneous.Objectives: To determine whether this clinical heterogeneity reflects heterogeneity in underlying molecular mechanisms related to Th2 inflammation.Methods: Using microarray and polymerase chain reaction analyses of airway epithelial brushings from 42 patients with mild-to-moderate asthma and 28 healthy control subjects, we classified subjects with asthma based on high or low expression of IL-13–inducible genes. We then validated this classification and investigated its clinical implications through analyses of cytokine expression in bronchial biopsies, markers of inflammation and remodeling, responsiveness to inhaled corticosteroids, and reproducibility on repeat examination.Measurements and Main Results: Gene expression analyses identified two evenly sized and distinct subgroups, “Th2-high” and “Th2-low” asthma (the latter indistinguishable from control subjects). These subgroups differed significantly in expression of IL-5 and IL-13 in bronchial biopsies and in airway hyperresponsiveness, serum IgE, blood and airway eosinophilia, subepithelial fibrosis, and airway mucin gene expression (all P < 0.03). The lung function improvements expected with inhaled corticosteroids were restricted to Th2-high asthma, and Th2 markers were reproducible on repeat evaluation.Conclusions: Asthma can be divided into at least two distinct molecular phenotypes defined by degree of Th2 inflammation. Th2 cytokines are likely to be a relevant therapeutic target in only a subset of patients with asthma. Furthermore, current models do not adequately explain non–Th2-driven asthma, which represents a significant proportion of patients and responds poorly to current therapies.

Background

 Eosinophilic airway inflammation is heterogeneous in asthmatic patients. We recently described a distinct subtype of asthma defined by the expression of genes inducible by T_H2 cytokines in bronchial epithelium. This gene signature, which includes periostin, is present in approximately half of asthmatic patients and correlates with eosinophilic airway inflammation. However, identification of this subtype depends on invasive airway sampling, and hence noninvasive biomarkers of this phenotype are desirable. 

Objective

 We sought to identify systemic biomarkers of eosinophilic airway inflammation in asthmatic patients. 

Methods

 We measured fraction of exhaled nitric oxide (Feno), peripheral blood eosinophil, periostin, YKL-40, and IgE levels and compared these biomarkers with airway eosinophilia in asthmatic patients. 

Results

 We collected sputum, performed bronchoscopy, and matched peripheral blood samples from 67 asthmatic patients who remained symptomatic despite maximal inhaled corticosteroid treatment (mean FEV₁, 60% of predicted value; mean Asthma Control Questionnaire [ACQ] score, 2.7). Serum periostin levels are significantly increased in asthmatic patients with evidence of eosinophilic airway inflammation relative to those with minimal eosinophilic airway inflammation. A logistic regression model, including sex, age, body mass index, IgE levels, blood eosinophil numbers, Feno levels, and serum periostin levels, in 59 patients with severe asthma showed that, of these indices, the serum periostin level was the single best predictor of airway eosinophilia (P = .007). 

Conclusion

 Periostin is a systemic biomarker of airway eosinophilia in asthmatic patients and has potential utility in patient selection for emerging asthma therapeutics targeting T_H2 inflammation.

Concurrent blockade of IL-13 and IL-17A may improve control of asthma.

Background

 There is microscopic spatial and temporal heterogeneity of pathological changes in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) lung tissue, which may relate to heterogeneity in pathophysiological mediators of disease and clinical progression. We assessed relationships between gene expression patterns, pathological features, and systemic biomarkers to identify biomarkers that reflect the aggregate disease burden in patients with IPF. 

Methods

 Gene expression microarrays (N=40 IPF; 8 controls) and immunohistochemical analyses (N=22 IPF; 8 controls) of lung biopsies. Clinical characterisation and blood biomarker levels of MMP3 and CXCL13 in a separate cohort of patients with IPF (N=80). 

Results

 2940 genes were significantly differentially expressed between IPF and control samples (|fold change| >1.5, p<0.05). Two clusters of co-regulated genes related to bronchiolar epithelium or lymphoid aggregates exhibited substantial heterogeneity within the IPF population. Gene expression in bronchiolar and lymphoid clusters corresponded to the extent of bronchiolisation and lymphoid aggregates determined by immunohistochemistry in adjacent tissue sections. Elevated serum levels of MMP3, encoded in the bronchiolar cluster, and CXCL13, encoded in the lymphoid cluster, corresponded to disease severity and shortened survival time (p<10⁻⁷ for MMP3 and p<10⁻⁵ for CXCL13; Cox proportional hazards model). 

Conclusions

 Microscopic pathological heterogeneity in IPF lung tissue corresponds to specific gene expression patterns related to bronchiolisation and lymphoid aggregates. MMP3 and CXCL13 are systemic biomarkers that reflect the aggregate burden of these pathological features across total lung tissue. These biomarkers may have clinical utility as prognostic and/or surrogate biomarkers of disease activity in interventional studies in IPF.

Progressive lung fibrosis is a major cause of mortality in systemic sclerosis (SSc) patients, but the underlying mechanisms remain unclear. We demonstrate that immune complexes (ICs) activate human monocytes to promote lung fibroblast migration partly via osteopontin (OPN) secretion, which is amplified by autocrine monocyte colony stimulating factor (MCSF) and interleukin-6 (IL-6) activity. Bulk and single-cell RNA sequencing demonstrate that elevated OPN expression in SSc lung tissue is enriched in macrophages, partially overlapping with CCL18 expression. Serum OPN is elevated in SSc patients with interstitial lung disease (ILD) and prognosticates future lung function deterioration in SSc cohorts. Serum OPN levels decrease following tocilizumab (monoclonal anti-IL-6 receptor) treatment, confirming the connection between IL-6 and OPN in SSc patients. Collectively, these data suggest a plausible link between autoantibodies and lung fibrosis progression, where circulating OPN serves as a systemic proxy for IC-driven profibrotic macrophage activity, highlighting its potential as a promising biomarker in SSc ILD.

Systemic sclerosis (SSc) interstitial lung disease (ILD) is among the leading causes of SSc-related morbidity and mortality. Tocilizumab (TCZ, anti-IL6RA) has demonstrated a reduced rate of pulmonary function decline in two phase 2/3 trials (faSScinate and focuSSced) in SSc-ILD patients. We performed transcriptome analysis of skin biopsy samples collected in the studies to decipher gene networks that were potentially associated with clinical responses to TCZ treatment. One module correlated with disease progression showed pharmacodynamic changes with TCZ treatment, and was characterized by plasma cell (PC) genes. PC signature gene expression levels were also significantly increased in both fibrotic SSc and IPF lungs compared to controls. scRNAseq analyses confirmed that PC signature genes were co-expressed in CD38 and CD138 expressing PC subsets in SSc lungs. These data provide insights into the potential role of PC in disease progression and mechanisms of action of TCZ in fibrotic interstitial lung diseases.