Mikrobiom dýchacích cest a zánět zprostředkovaný Th17 u CHOPN mezi jednotlivci infikovanými HIV ve venkovské ugandské kohortě (HLM)

Úvod Zlepšení přístupu k antiretrovirové terapii (ART) mezi lidmi žijícími s HIV/AIDS (PLWHA) vedlo ke snížení morbidity a mortality související s HIV[1]. To platí zejména v zemích s nízkými a středními příjmy (LMIC), které nesou největší zátěž HIV[2]. Snížení úmrtnosti podstatně prodloužilo očekávanou délku života, přičemž odhady mezi PLWHA se nyní blíží odhadům běžné populace[3]. Mezi přeživšími byla proto zvýšená pozornost vzrůstající zátěži nepřenosných nemocí (NCD), jako je chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN)[4]. Subsaharská Afrika, která má nejvyšší hustotu PLWHA, zaznamenala dramatický nárůst morbidity a mortality související s CHOPN, zejména u jedinců s plicní tuberkulózou (PTB) v anamnéze[5]. Ve venkovských ugandských ART klinikách jsme uváděli prevalenci CHOPN 6,22 %, přičemž PTB v anamnéze byla nejsilnějším prediktorem rizika CHOPN a snížené funkce plic [5]. V současné době není zcela známo, co způsobuje chronický zánět plic v populaci PLWHA dobře kontrolované pomocí ART.

Při hledání odpovědí na výše uvedenou otázku jsme zkoumali roli změněného mikrobiomu dýchacích cest při organizování chronického zánětu dýchacích cest u PLWHA. Naše výzkumná otázka byla podpořena rostoucím množstvím poznatků ze studií na lidech a zvířatech, že změny v bakteriálních komunitách obývajících dýchací cesty spouštějí imunitní reakce a chronický zánět dýchacích cest[6-9]. V nedávné studii zahrnující 50 HIV+COPD+, 50 HIV+CHOPN-, 50 HIV-COPD- a 50 HIV-COPD- účastníků ve venkovské Ugandě jsme zkoumali souvislost mezi změněným mikrobiomem dýchacích cest a CHOPN související s HIV (NCT040702). Předběžná analýza ze sekvenování 16S na vzorcích indukovaného sputa odhalila, že navzdory malým rozdílům v bakteriální diverzitě mezi PLHWA s CHOPN ve srovnání s kontrolami byly komenzální mikroby patřící do rodů Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum a Oribacterium významně obohaceny o PLHWHA s CHOPN, zatímco mikroby patřící do rodů Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter a Filifactor byly vyčerpány. Naše výsledky jasně ukazují, že existuje více plicních bakterií zasažených HIV než CHOPN, což naznačuje, že změny spojené s HIV v jedinečných mikrobiálních rodech dýchacích cest mohou být hnací silou CHOPN mezi PLWHA v naší kohortě. V současné době zůstává neznámé, jak takové rody řídí chronický zánět dýchacích cest.

Studie na myších modelech uvádějí, že Prevotella, Bacteroides a Veillonella hrají významnou roli při organizování zánětu plic prostřednictvím signalizace Toll like receptor (TLR) 2/4 na alveolárních makrofázích, epiteliálních buňkách a dendritických buňkách, které připravují buňky adaptivní imunity[8]. Hlášeným výsledkem byly aberantní Th17 a snížené imunitní odpovědi Treg pomocí myších modelů bez zárodků a specifických patogenů [8]. Podobně nedávné důkazy ve studiích na lidech ukazují, že rody Prevotella a Veillonella jsou spojeny s odlišným metabolickým profilem, zvýšenou expresí prozánětlivých cytokinů charakterizovanou zvýšenou buněčnou odpovědí Th17[9]. Uvádí se, že komunikace mikrobiom-hostitelská buňka je zprostředkována secernovanými bakteriálními vezikuly vnější membrány (OMV), které korelují s bakteriální biomasou (obrázek 2) [8]. Domníváme se, že identifikace bakteriálních rodů dýchacích cest, které vyvolávají aberantní Th17 odpověď u PLWHA s CHOPN, by mohla být odrazovým můstkem k vývoji strategií zaměřených na obnovení mikrobiální rovnováhy buď přímou eliminací patobiontů antibiotiky nebo obnovením komenzálů pomocí probiotik, aby se podpořila odolnost proti kolonizaci na površích sliznic. .

Na základě tohoto pozadí se snažíme prozkoumat, zda mikrobiom dýchacích cest podporuje zánět dýchacích cest zprostředkovaný Th17 u CHOPN u jedinců infikovaných HIV. Předpokládáme, že: (1) mikrobiom indukuje Th17 dýchacích cest a potlačuje imunitní reakce Treg u jedinců infikovaných HIV s CHOPN; (2) bakteriálně řízená Th17 odpověď podporuje expresi prozánětlivých genů u jedinců s CHOPN a (3) mikrobiom dýchacích cest zprostředkovává svůj účinek na Th17 imunitní odpověď prostřednictvím sekrece bakteriálních vezikul vnější membrány (OMV).

V této studii budeme: (1) stanovit vztah mezi mikrobiomem dýchacích cest a buněčnými fenotypy Th17/Treg u jedinců infikovaných HIV s CHOPN; (2) zkoumat bakteriálně zprostředkovanou Th17 upregulaci prozánětlivých a pro-fibrotických genů u HIV jedinců s CHOPN a (3) prozkoumat roli bakteriálních vezikul vnější membrány (OMV) při zprostředkování mikrobiomem řízených Th17 imunitních odpovědí mezi HIV jednotlivci.

Studijní záměry a cíle

Cíl studia:

Prozkoumat zánět zprostředkovaný Th17 zprostředkovaný mikrobiom dýchacích cest u CHOPN u jedinců infikovaných HIV

Specifické cíle

1. Stanovit vztah mezi mikrobiomem dýchacích cest a buněčnými fenotypy Th17/Treg u jedinců infikovaných HIV s CHOPN.
2. Prozkoumat bakteriálně zprostředkovanou Th17 upregulaci prozánětlivých genů u jedinců infikovaných HIV s CHOPN
3. Zkoumat roli bakteriálních vezikul vnější membrány (OMV) při zprostředkování imunitních odpovědí Th17 řízených dysbiózou u jedinců s HIV.

Vysvětlení problému Chronická obstrukční plicní nemoc narůstá v prevalenci mezi lidmi žijícími s HIV/AIDS (PLWHA), protože rozšířené používání antiretrovirové terapie (ART) prodloužilo v této populaci dlouhověkost[5]. Stále není známo, co způsobuje chronický zánět dýchacích cest u PLWHA dobře kontrolovaných pomocí ART. Navzdory dobře prokázané asociaci mezi CHOPN a plicní tuberkulózou to plně neodpovídá za hlášené případy CHOPN mezi PLWHA[5]. V naší studované populaci nebylo hlášeno, že by kouření ani expozice biomase byly spojeny s CHOPN. Je třeba prozkoumat faktory vedoucí k chronickému zánětu dýchacích cest u PLWHA.

Odůvodnění Specifická mikrobiální společenství schopná vyvolat intenzivní imunitní reakce by mohla určovat výsledek interakce hostitel-mikrobiom, ať už jde o imunitní toleranci nebo zánět. Zatímco hloubková charakterizace mikrobiomu dýchacích cest byla provedena ve studiích na lidech a na zvířecích modelech CHOPN[5–8], byly hlášeny pouze souvislosti a několik specifických signatur bylo implikováno jako prediktory mortality CHOPN[9]. Několik modelů mikrobiomu založených na zvířatech bylo převedeno do testovatelného modelu lidských dýchacích cest nebo plic, aby bylo možné rozpracovat mechanickou roli mikrobiomu v CHOPN. Rozluštění toho, které bakterie vyvolávají silnou imunitní odpověď uprostřed velkého množství mikrobiálních komunit, zůstává významnou oblastí zájmu pro subfenotyp a identifikaci léčitelných znaků. Věříme, že sledování této výzkumné otázky poskytne základ pro imunofenotypizaci mikrobiálních komunit dýchacích cest jako tolerogenních (indukujících Treg) nebo zánětlivých (indukujících Th17), což je potenciálně zásadní vědecký objev v respirační imunobiologii.

Přehled literatury Globálně se více než 80 % úmrtí souvisejících s nepřenosnými nemocemi vyskytuje v zemích s nízkými a středními příjmy (LMIC)[10]. Mezi nepřenosnými nemocemi je chronické onemocnění plic čtvrtou nejčastější příčinou úmrtí na celém světě a předpokládá se, že do roku 2030 bude třetím největším zdravotním problémem v subsaharské Africe[11]. CHOPN je progresivní život ohrožující obstrukce proudění vzduchu, která způsobuje dušnost zpočátku při námaze a predisponuje k exacerbacím a závažným onemocněním [12]. V běžné populaci si CHOPN do roku 2015 celosvětově vyžádala celkem tři miliony životů[13]. V důsledku globálního škálování antiretrovirové terapie (ART) a profylaxe kotrimoxazolem se incidence plicních infekcí dramaticky snížila, ale CHOPN je stále více uznávanou, ale nedostatečně pochopenou komplikací[14]. Metaanalýza epidemiologie CHOPN v celosvětové populaci infikované HIV dosud prokazuje prevalenci CHOPN mezi 3 a 23 %[15].

Do roku 2015 byly prevalence a rizikové faktory CHOPN v Ugandě z velké části necharakterizované. Prevalence CHOPN byla poprvé odhadnuta u venkovské populace v Ugandě na 16% prevalenci[11]. V této studii neporovnávali prevalenci podle stavu HIV. Hlášená prevalence byla vyšší ve srovnání s jinými studiemi v regionu a může být vysvětlena jinými faktory. Siddharthan a kolegové uvedli 6,1% prevalenci CHOPN ve venkovských ugandských komunitách okresu Nakaseke ve srovnání s 1,5% prevalencí v městských komunitách Kampaly[16]. V této studii bylo zdůrazněno, že nejdůležitějším faktorem spojeným s CHOPN bylo venkovské bydliště a HIV se nezdálo být důležitým rizikovým faktorem CHOPN[5]. Tato populační studie nicméně nezkoumala účinky virové nálože HIV a počtu CD4 na prevalenci CHOPN a výsledky plicních funkcí. Také HIV status byl sám hlášen u 8,1 %. Podobně v nedávné studii v jihozápadní Ugandě, North a kolegové neuvedli žádnou významnou souvislost mezi HIV a respiračními symptomy ani funkcí plic. Autoři však nezkoumali vliv HIV-specifických charakteristik na CHOPN[17].

Ve venkovském prostředí klinik ART v okrese Nakaseke v Ugandě, kde účastníci měli dobře kontrolovaný HIV, jsme zjistili prevalenci CHOPN 6,22 %[5]. Plicní tuberkulóza v anamnéze byla silně spojena s CHOPN a sníženou funkcí plic. Jak se dalo očekávat, zvyšující se věk byl spojen se sníženou funkcí plic. Specifické vlastnosti HIV, včetně použití a trvání ART, současných a výchozích počtů CD4+T lymfocytů a virové zátěže však nebyly spojeny s CHOPN ani sníženou funkcí plic v upravené ani upravené analýze[5]. Mezi diagnostikovanými byla CHOPN spojena se sníženým respiračním zdravotním stavem a závažnými respiračními příznaky. V současné době není zcela známo, co způsobuje chronický zánět plic v naší populaci PLWHA s více než 90 % virologicky potlačeným počtem shluků diferenciace 4 (CD4) > 500, 80 % nekuřáků, s historií vyléčení plicní tuberkulózy a bez významné souvislosti mezi CHOPN a expozicí biomase[5]. Důkazy z nedávných studií naznačují, že bakteriální komunity obývající povrchy sliznic dýchacích cest řídí chronický zánět[8].

Za homeostatických podmínek je povrch sliznice dýchacích cest obýván komenzálními mikrobiálními komunitami. Tyto organismy indukují odolnost vůči kolonizaci proti patobiontům prostřednictvím několika molekulárních mechanismů[18]. Mezi nejvíce studované mechanismy patří interakce mikrob-mikrob a mikrob-hostitel. Komenzálové se replikují velmi rychle a žijí v hustě obsazených biologických nikách, což omezuje dostupnost živin v těchto mikrostanovištích. Tato soutěž o zdroje, jako jsou aminokyseliny, cukry, zinek, železo a kyslík, omezuje kolonizaci patobionty[18]. Vyšší mikrobiální diverzita tedy znamená, že více mikrobů využívá všestrannější zásobu metabolitů, což představuje výzvu pro všechny patobionty, aby prospívali. Proto jakékoli změny vedoucí ke ztrátě mikrobiální biomasy nebo diverzity destabilizují mikrobiální ekosystém a vytvářejí příležitost pro kmeny se zvýšenou schopností se množit.

Někteří komenzálové přímo inhibují růst patobiontů sekrecí antimikrobiálních peptidů (AMP). Takové faktory omezují růst sousedních bakterií množstvím mechanismů, jako je inhibice syntézy buněčné stěny, tvorba pórů a aktivita nukleázy. Mezi další nepeptidové molekuly, které inhibují proliferaci sousedních bakterií, patří mastné kyseliny s krátkým řetězcem (SCFA), peroxid vodíku (H2O2) a sekundární žlučové kyseliny. Konečně, bakteriální sekreční systémy (zejména sekreční systém typu VI) byly široce používány komenzály k transportu toxických látek do jejich prostředí nebo dokonce do blízkých eukaryotických nebo prokaryotických buněk [18].