The Severe Asthma Research Program cohort includes subjects with persistent asthma who have undergone detailed phenotypic characterization. Previous univariate methods compared features of mild, moderate, and severe asthma.To identify novel asthma phenotypes using an unsupervised hierarchical cluster analysis.Reduction of the initial 628 variables to 34 core variables was achieved by elimination of redundant data and transformation of categorical variables into ranked ordinal composite variables. Cluster analysis was performed on 726 subjects.Five groups were identified. Subjects in Cluster 1 (n = 110) have early onset atopic asthma with normal lung function treated with two or fewer controller medications (82%) and minimal health care utilization. Cluster 2 (n = 321) consists of subjects with early-onset atopic asthma and preserved lung function but increased medication requirements (29% on three or more medications) and health care utilization. Cluster 3 (n = 59) is a unique group of mostly older obese women with late-onset nonatopic asthma, moderate reductions in FEV(1), and frequent oral corticosteroid use to manage exacerbations. Subjects in Clusters 4 (n = 120) and 5 (n = 116) have severe airflow obstruction with bronchodilator responsiveness but differ in to their ability to attain normal lung function, age of asthma onset, atopic status, and use of oral corticosteroids.Five distinct clinical phenotypes of asthma have been identified using unsupervised hierarchical cluster analysis. All clusters contain subjects who meet the American Thoracic Society definition of severe asthma, which supports clinical heterogeneity in asthma and the need for new approaches for the classification of disease severity in asthma.

Nitric oxide synthase (NOS) produces nitric oxide, a mediator of potential importance in numerous physiologic and inflammatory processes in the lung. We localized constitutive NOS (c-NOS) and inducible NOS (i-NOS) within lung tissue by immunoperoxidase labeling with specific antibodies or by histochemical demonstration of the characteristic NADPH diaphorase activity of NOS. We analyzed human airway (n = 4) or parenchyma (n = 10) specimens obtained from uninvolved areas of surgical tumor resections. We also studied human fetal lung samples (n = 6) and normal or inflamed (16 h after intratracheal LPS instillation) rat lung tissue. Immunostaining with anti-c-NOS identified c-NOS antigen in rat lung nerves, endothelium, and airway epithelium. Normal or inflamed rat macrophages were not stained. Human nerve elements and large-vessel endothelium showed immunostaining with the anti-c-NOS, but no labeling of the airway or alveolar epithelium was seen. Immunostaining with anti-i-NOS showed strong labeling of rat macrophages after LPS treatment, in vivo or in vitro, while normals were negative. Human alveolar macrophages were occasionally positive for i-NOS, especially in areas of chronic inflammation, which also showed focal immunolabeling of endothelium. Uniform labeling of epithelium in large, cartilaginous airways was found with anti-i-NOS in both human bronchi and normal rat trachea samples, suggesting a constitutive role for a NOS that shares epitope(s) with or is highly homologous to the inducible, macrophage type of NOS. Histochemical staining for NADPH diaphorase activity was consistent with immunolocalization of NOS antigens. The results indicate that numerous distinct anatomic compartments within human and rat lungs contain NOS, and suggest a role for NOS activity in pulmonary homeostasis and inflammation.

Airway concentrations of many reactive nitrogen and oxygen species are high in asthma. The stability and bioactivities of these species are pH-dependent; however, the pH of the airway during acute asthma has not previously been studied. As with gastric and urinary acidification, asthmatic airway acidification could be expected dramatically to alter the concentrations and bioactivities/cytotoxicities of endogenous nitrogen oxides. Here, we demonstrate that the pH of deaerated exhaled airway vapor condensate is over two log orders lower in patients with acute asthma (5.23 ± 0.21, n = 22) than in control subjects (7.65 ± 0.20, n = 19, p < 0.001) and normalizes with corticosteroid therapy. Values are highly reproducible, unaffected by salivary or therapeutic artifact, and identical to samples taken directly from the lower airway. Further, at these low pH values, the endogenous airway compound, nitrite, is converted to nitric oxide (NO) in quantities sufficient largely to account for the concentrations of NO in asthmatic expired air, and eosinophils undergo accelerated necrosis. We speculate that airway pH may be an important determinant of expired NO concentration and airway inflammation, and suggest that regulation of airway pH has a previously unsuspected role in asthma pathophysiology. Hunt JF, Fang K, Malik R, Snyder A, Malhotra N, Platts-Mills TAE, Gaston B. Endogenous airway acidification: implications for asthma pathophysiology.

Recent discoveries suggesting essential bioactivities of nitric oxide (NO.) in the lung are difficult to reconcile with the established pulmonary cytotoxicity of this common air pollutant. These conflicting observations suggest that metabolic intermediaries may exist in the lung to modulate the bioactivity and toxicity of NO.. We report that S-nitrosothiols (RS-NO), predominantly the adduct with glutathione, are present at nano- to micromolar concentrations in the airways of normal subjects and that their levels vary in different human pathophysiologic states. These endogenous RS-NO are long-lived, potent relaxants of human airways under physiological O2 concentrations. Moreover, RS-NO form in high concentrations upon administration of NO. gas. Nitrite (10-20 microM) is found in airway lining fluid in concentrations linearly proportional to leukocyte counts, suggestive of local NO. metabolism. NO. itself was not detected either free in solution or in complexes with transition metals. These observations may provide insight into the means by which NO. is packaged in biological systems to preserve its bioactivity and limit its potential O2-dependent toxicity and suggest an important role for NO. in regulation of airway luminal homeostasis.

Histochemical activity and immunoreactivity of nitric oxide synthase (NOS, EC 1.14.13.39) have been recently demonstrated in human lung epithelium. However, the molecular nature of NOS and the regulation and function of the enzyme(s) in the airway is not known. A549 cells (human alveolar type II epithelium-like), BEAS 2B cells (transformed human bronchial epithelial cells), and primary cultures of human bronchial epithelial cells all exhibited constitutive NOS activity that was calcium dependent and inhibitable by the NOS inhibitor NG-monomethyl-L-arginine. Nitric oxide production by epithelial cells was enhanced by culture in the presence of interferon gamma, interleukin 1 beta, tumor necrosis factor alpha, and lipopolysaccharide; the NOS activity expressed under these conditions showed less dependence on calcium, reminiscent of other inducible forms of NOS. Two distinct NOS mRNA species, homologous to previously identified constitutive brain (type I) and inducible hepatic (type II) NOS, were demonstrated by reverse transcription-polymerase chain reaction in all cell lines. Northern analysis confirmed the expression of inducible NOS mRNA. Cell culture with epidermal growth factor, a principal regulator of epithelial cell function, decreased inducible NOS activity by posttranscriptional action but did not affect constitutive NOS activity. The coexistence of constitutive and inducible NOS in human alveolar and bronchial epithelial cells is consistent with a complex mechanism evolved by epithelial cells to protect the host from microbial assault at the air/surface interface while shielding the host from the induction of airway hyperreactivity.

Many hereditary and sporadic neurodegenerative disorders are characterized by the accumulation of aberrant proteins. In sporadic Parkinson's disease, representing the most prevalent movement disorder, oxidative and nitrosative stress are believed to contribute to disease pathogenesis, but the exact molecular basis for protein aggregation remains unclear. In the case of autosomal recessive-juvenile Parkinsonism, mutation in the E3 ubiquitin ligase protein parkin is linked to death of dopaminergic neurons. Here we show both in vitro and in vivo that nitrosative stress leads to S -nitrosylation of wild-type parkin and, initially, to a dramatic increase followed by a decrease in the E3 ligase-ubiquitin-proteasome degradative pathway. The initial increase in parkin's E3 ubiquitin ligase activity leads to autoubiquitination of parkin and subsequent inhibition of its activity, which would impair ubiquitination and clearance of parkin substrates. These findings may thus provide a molecular link between free radical toxicity and protein accumulation in sporadic Parkinson's disease.

BackgroundAsthma in children is a heterogeneous disorder with many phenotypes. Although unsupervised cluster analysis is a useful tool for identifying phenotypes, it has not been applied to school-age children with persistent asthma across a wide range of severities.ObjectivesThis study determined how children with severe asthma are distributed across a cluster analysis and how well these clusters conform to current definitions of asthma severity.MethodsCluster analysis was applied to 12 continuous and composite variables from 161 children at 5 centers enrolled in the Severe Asthma Research Program.ResultsFour clusters of asthma were identified. Children in cluster 1 (n = 48) had relatively normal lung function and less atopy. Children in cluster 2 (n = 52) had slightly lower lung function, more atopy, and increased symptoms and medication use. Cluster 3 (n = 32) had greater comorbidity, increased bronchial responsiveness, and lower lung function. Cluster 4 (n = 29) had the lowest lung function and the greatest symptoms and medication use. Predictors of cluster assignment were asthma duration, the number of asthma controller medications, and baseline lung function. Children with severe asthma were present in all clusters, and no cluster corresponded to definitions of asthma severity provided in asthma treatment guidelines.ConclusionSevere asthma in children is highly heterogeneous. Unique phenotypic clusters previously identified in adults can also be identified in children, but with important differences. Larger validation and longitudinal studies are needed to determine the baseline and predictive validity of these phenotypic clusters in the larger clinical setting. Asthma in children is a heterogeneous disorder with many phenotypes. Although unsupervised cluster analysis is a useful tool for identifying phenotypes, it has not been applied to school-age children with persistent asthma across a wide range of severities. This study determined how children with severe asthma are distributed across a cluster analysis and how well these clusters conform to current definitions of asthma severity. Cluster analysis was applied to 12 continuous and composite variables from 161 children at 5 centers enrolled in the Severe Asthma Research Program. Four clusters of asthma were identified. Children in cluster 1 (n = 48) had relatively normal lung function and less atopy. Children in cluster 2 (n = 52) had slightly lower lung function, more atopy, and increased symptoms and medication use. Cluster 3 (n = 32) had greater comorbidity, increased bronchial responsiveness, and lower lung function. Cluster 4 (n = 29) had the lowest lung function and the greatest symptoms and medication use. Predictors of cluster assignment were asthma duration, the number of asthma controller medications, and baseline lung function. Children with severe asthma were present in all clusters, and no cluster corresponded to definitions of asthma severity provided in asthma treatment guidelines. Severe asthma in children is highly heterogeneous. Unique phenotypic clusters previously identified in adults can also be identified in children, but with important differences. Larger validation and longitudinal studies are needed to determine the baseline and predictive validity of these phenotypic clusters in the larger clinical setting.

Reducing asthma exacerbation frequency is an important criterion for approval of asthma therapies, but the clinical features of exacerbation-prone asthma (EPA) remain incompletely defined.To describe the clinical, physiologic, inflammatory, and comorbidity factors associated with EPA.Baseline data from the NHLBI Severe Asthma Research Program (SARP)-3 were analyzed. An exacerbation was defined as a burst of systemic corticosteroids lasting 3 days or more. Patients were classified by their number of exacerbations in the past year: none, few (one to two), or exacerbation prone (≥3). Replication of a multivariable model was performed with data from the SARP-1 + 2 cohort.Of 709 subjects in the SARP-3 cohort, 294 (41%) had no exacerbations and 173 (24%) were exacerbation prone in the prior year. Several factors normally associated with severity (asthma duration, age, sex, race, and socioeconomic status) did not associate with exacerbation frequency in SARP-3; bronchodilator responsiveness also discriminated exacerbation proneness from asthma severity. In the SARP-3 multivariable model, blood eosinophils, body mass index, and bronchodilator responsiveness were positively associated with exacerbation frequency (rate ratios [95% confidence interval], 1.6 [1.2-2.1] for every log unit of eosinophils, 1.3 [1.1-1.4] for every 10 body mass index units, and 1.2 [1.1-1.4] for every 10% increase in bronchodilatory responsiveness). Chronic sinusitis and gastroesophageal reflux were also associated with exacerbation frequency (1.7 [1.4-2.1] and 1.6 [1.3-2.0]), even after adjustment for multiple factors. These effects were replicated in the SARP-1 + 2 multivariable model.EPA may be a distinct susceptibility phenotype with implications for the targeting of exacerbation prevention strategies. Clinical trial registered with www.clinicaltrials.gov (NCT 01760915).

BackgroundStudies of asthma phenotypes have identified obesity as a component of a group characterized by a high proportion of subjects with adult-onset asthma. However, whether age of asthma onset modifies the association between obesity and asthma is unknown.ObjectivesWe sought to compare the associations between body mass index (BMI) categories with physiological, inflammatory, and clinical parameters across age of asthma onset phenotypes; and to compare the rate of BMI change in relation to asthma duration, by age of onset asthma phenotypes.MethodsFrom the Severe Asthma Research Program, we defined age of asthma onset as early (<12 years of age) and late (≥12 years of age). Comparisons of BMI categories were done within age-of-onset groups, and obesity was also compared across these groups. Multivariable logistic regression analysis was done to evaluate the association between BMI categories with health care use and respiratory symptoms and multivariable linear regression for the association between duration of asthma and weight gain (BMI change per year). An interaction between obesity and age of asthma onset was included in the multivariable analyses.ResultsThe study population consisted of 1049 subjects, and the median age for asthma onset was 10 years (interquartile range, 4-25 years); 48% had late-onset asthma (≥12 years of age), and 52% had early-onset asthma (<12 years of age). Compared with obese subjects with late-onset asthma, obese subjects with early-onset asthma had more airway obstruction, bronchial hyperresponsiveness, and higher odds ratios of ever having 3 or more previous oral steroid tapers per year or intensive care unit admissions for asthma per preceding year (interactions between obesity and age of asthma onset were P = .055 and P = .02, respectively). In subjects with early-onset asthma but not in subjects with late-onset asthma, there was a significant association between increasing BMI and duration of asthma after adjusting for confounders. The interaction between asthma duration and age of asthma onset was a P value of less than .01.ConclusionAsthmatic subjects are differentially affected by obesity based on whether they had asthma early (<12 years of age) or later in life. These results highlight the need to understand obesity as a comorbidity that affects specific clinical phenotypes and not all asthma subjects alike. Studies of asthma phenotypes have identified obesity as a component of a group characterized by a high proportion of subjects with adult-onset asthma. However, whether age of asthma onset modifies the association between obesity and asthma is unknown. We sought to compare the associations between body mass index (BMI) categories with physiological, inflammatory, and clinical parameters across age of asthma onset phenotypes; and to compare the rate of BMI change in relation to asthma duration, by age of onset asthma phenotypes. From the Severe Asthma Research Program, we defined age of asthma onset as early (<12 years of age) and late (≥12 years of age). Comparisons of BMI categories were done within age-of-onset groups, and obesity was also compared across these groups. Multivariable logistic regression analysis was done to evaluate the association between BMI categories with health care use and respiratory symptoms and multivariable linear regression for the association between duration of asthma and weight gain (BMI change per year). An interaction between obesity and age of asthma onset was included in the multivariable analyses. The study population consisted of 1049 subjects, and the median age for asthma onset was 10 years (interquartile range, 4-25 years); 48% had late-onset asthma (≥12 years of age), and 52% had early-onset asthma (<12 years of age). Compared with obese subjects with late-onset asthma, obese subjects with early-onset asthma had more airway obstruction, bronchial hyperresponsiveness, and higher odds ratios of ever having 3 or more previous oral steroid tapers per year or intensive care unit admissions for asthma per preceding year (interactions between obesity and age of asthma onset were P = .055 and P = .02, respectively). In subjects with early-onset asthma but not in subjects with late-onset asthma, there was a significant association between increasing BMI and duration of asthma after adjusting for confounders. The interaction between asthma duration and age of asthma onset was a P value of less than .01. Asthmatic subjects are differentially affected by obesity based on whether they had asthma early (<12 years of age) or later in life. These results highlight the need to understand obesity as a comorbidity that affects specific clinical phenotypes and not all asthma subjects alike.

BackgroundFractional exhaled nitric oxide (FENO) is used in monitoring of asthma.ObjectivesThe aim of this multicenter study was to establish normal values of FENO and assess feasibility in children with a standardized method and equipment approved for clinical use.MethodsFENO was measured in healthy subjects of 4 to 17 years according to American Thoracic Society guidelines (single breath online, exhalation flow 50 mL/s) with a chemiluminescence analyzer (NIOX Exhaled Nitric Oxide Monitoring System, Aerocrine, Sweden) in 3 European and 2 US centers. Each child performed 3 acceptable nitric oxide measurements within 6 attempts and completed an extended International Study of Asthma and Allergy in Children questionnaire.ResultsMeasurement of FENO was attempted in 522 children. Four hundred five children completed the study according to the protocol. Geometric mean FENO in 405 children was 9.7 ppb, and the upper 95% confidence limit was 25.2 ppb. FENO increased significantly with age, and higher FENO was seen in children with self-reported rhinitis/conjunctivitis or hay fever. The success rate was age-dependent and improved from 40% in the children 4 years old to almost 100% from the age of 10 years. The repeatability of 3 approved measurements was 1.6 ppb (95% CI, 1.49-1.64 ppb).ConclusionFENO in healthy children is below 15 to 25 ppb depending on age and self-reported atopy. Measurement of FENO by NIOX® is simple and safe and has a good repeatability. Feasibility depends on age and may be difficult in the preschool child. Fractional exhaled nitric oxide (FENO) is used in monitoring of asthma. The aim of this multicenter study was to establish normal values of FENO and assess feasibility in children with a standardized method and equipment approved for clinical use. FENO was measured in healthy subjects of 4 to 17 years according to American Thoracic Society guidelines (single breath online, exhalation flow 50 mL/s) with a chemiluminescence analyzer (NIOX Exhaled Nitric Oxide Monitoring System, Aerocrine, Sweden) in 3 European and 2 US centers. Each child performed 3 acceptable nitric oxide measurements within 6 attempts and completed an extended International Study of Asthma and Allergy in Children questionnaire. Measurement of FENO was attempted in 522 children. Four hundred five children completed the study according to the protocol. Geometric mean FENO in 405 children was 9.7 ppb, and the upper 95% confidence limit was 25.2 ppb. FENO increased significantly with age, and higher FENO was seen in children with self-reported rhinitis/conjunctivitis or hay fever. The success rate was age-dependent and improved from 40% in the children 4 years old to almost 100% from the age of 10 years. The repeatability of 3 approved measurements was 1.6 ppb (95% CI, 1.49-1.64 ppb). FENO in healthy children is below 15 to 25 ppb depending on age and self-reported atopy. Measurement of FENO by NIOX® is simple and safe and has a good repeatability. Feasibility depends on age and may be difficult in the preschool child.