Luftvejsmikrobiom og Th17-medieret inflammation i KOL blandt HIV-inficerede individer i en landlig ugandisk kohorte (HLM)

Indledning Forbedringen i adgangen til antiretroviral behandling (ART) blandt mennesker, der lever med hiv/aids (PLWHA) har resulteret i et fald i hiv-associeret morbiditet og dødelighed[1]. Dette gælder især i lav- og mellemindkomstlande (LMIC'er), som bærer den største byrde af hiv[2]. Reduktionen i dødelighed har øget den forventede levetid væsentligt, og skøn blandt PLWHA nærmer sig nu den generelle befolkning[3]. Som følge heraf har der været øget opmærksomhed blandt overlevende på den nye byrde af ikke-smitsomme sygdomme (NCD), såsom kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL)[4]. Afrika syd for Sahara, som har den højeste tæthed af PLWHA, har oplevet dramatiske stigninger i KOL-relateret sygelighed og dødelighed, især hos personer med en historie med lungetuberkulose (PTB)[5]. I landdistrikterne i ugandiske ART-klinikker rapporterede vi en KOL-prævalens på 6,22 %, hvor historie med PTB var den stærkeste forudsigelse for KOL-risiko og nedsat lungefunktion[5]. I øjeblikket er det ikke fuldt ud kendt, hvad der driver kronisk lungebetændelse i PLWHA-population velkontrolleret på ART.

I søgen efter svar på ovenstående spørgsmål har vi udforsket rollen af ​​ændret luftvejsmikrobiom i orkestrering af kronisk luftvejsbetændelse i PLWHA. Vores forskningsspørgsmål er blevet understøttet af en voksende viden fra menneske- og dyreforsøg om, at ændringer i de bakteriesamfund, der bor i luftvejene, udløser immunreaktioner og kronisk luftvejsbetændelse[6-9]. I en nylig undersøgelse, der involverede 50 HIV+KOL+, 50 HIV+KOL-, 50 HIV-KOL- og 50 HIV-KOL-deltagere i landdistrikterne i Uganda, undersøgte vi sammenhængen mellem ændret luftvejsmikrobiom og HIV-associeret KOL (NCT040702). Foreløbig analyse fra 16S-sekventering på inducerede sputumprøver afslørede, at på trods af mindre forskelle i bakteriediversitet blandt PLHWA med KOL sammenlignet med kontroller, var kommensale mikrober, der tilhører slægterne Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum i signifikant Oribacterium og PLWibacterium. med KOL, mens mikrober tilhørende slægterne Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter og Filifactor var udtømte. Vores resultater viser tydeligt, at der er flere lungebakterier påvirket af HIV end KOL, hvilket tyder på, at HIV-associerede ændringer i unikke luftvejsmikrobielle slægter kan være årsagen til KOL blandt PLWHA i vores kohorte. I øjeblikket er det ukendte, hvordan sådanne slægter driver kronisk luftvejsbetændelse.

Undersøgelser fra musemodeller rapporterer, at Prevotella, Bacteroides og Veillonella spiller en væsentlig rolle i at orkestrere lungebetændelse gennem Toll-lignende receptor (TLR) 2/4-signalering på alveolære makrofager, epitelceller og dendritiske celler, som primer celler af den adaptive immunitet[8]. Det rapporterede resultat har været afvigende Th17 og reducerede Treg-immunresponser ved hjælp af bakteriefrie og specifikke patogenfrie musemodeller [8]. Tilsvarende viser nyere beviser i humane undersøgelser, at Prevotella og Veillonella slægter er forbundet med en særskilt metabolisk profil, forbedret pro-inflammatorisk cytokinekspression karakteriseret ved forhøjet Th17 cellulær respons[9]. Mikrobiom-værtscellekommunikation er blevet rapporteret at være medieret af udskilte bakterielle ydre membranvesikler (OMV'er), som korrelerer med bakteriel biomasse (figur 2) [8]. Vi mener, at identifikation af luftvejsbakterieslægter, som fremkalder afvigende Th17-respons blandt PLWHA med KOL, kunne være et springbræt i retning af at udvikle strategier, der sigter på at genoprette mikrobiel balance enten gennem direkte eliminering af patobionter med antibiotika eller genoprettelse af kommensaler gennem probiotika for at fremme koloniseringsresistens ved slimhindeoverflader .

Baseret på denne baggrund sigter vi mod at undersøge, om luftvejsmikrobiom brænder Th17-medieret luftvejsbetændelse ved KOL blandt HIV-smittede individer. Vi antager, at: (1) mikrobiom inducerer luftvejs Th17 og undertrykker Treg-immunresponser blandt HIV-inficerede individer med KOL; (2) bakteriedrevet Th17-respons fremmer ekspression af pro-inflammatoriske gener blandt individer med KOL og (3) luftvejsmikrobiom medierer dets effekt på Th17-immunrespons gennem sekretion af bakterielle ydre membranvesikler (OMV'er).

I denne undersøgelse vil vi: (1) etablere en sammenhæng mellem luftvejsmikrobiom og Th17/Treg cellulære fænotyper blandt HIV-inficerede individer med KOL; (2) undersøge bakteriel-medieret Th17-opregulering af pro-inflammatoriske og pro-fibrotiske gener blandt HIV-individer med KOL og (3) undersøge rollen af ​​bakterielle ydre membranvesikler (OMV'er) i at mediere mikrobiom-drevne Th17-immunresponser blandt HIV-individer.

Studiemål og -mål

Studiemål:

At undersøge luftvejsmikrobiom-drevet Th17-medieret inflammation i KOL blandt HIV-inficerede individer

Specifikke mål

1. At etablere et forhold mellem luftvejsmikrobiom og Th17/Treg cellulære fænotyper blandt HIV-inficerede individer med KOL.
2. At undersøge bakteriel medieret Th17-opregulering af pro-inflammatoriske gener blandt HIV-inficerede individer med KOL
3. At undersøge rollen af ​​bakterielle ydre membran-vesikler (OMV'er) i at mediere dysbiose-drevne Th17-immunresponser blandt HIV-individer.

Problemformulering Kronisk obstruktiv lungesygdom er stigende i prævalens blandt mennesker, der lever med HIV/AIDS (PLWHA), da udbredt brug af antiretroviral terapi (ART) har øget levetiden i denne population[5]. Det er stadig uvist, hvad der driver kronisk luftvejsbetændelse i PLWHA velkontrolleret på ART. På trods af en veletableret sammenhæng mellem KOL og lungetuberkulose, redegør den ikke fuldt ud for de rapporterede tilfælde af KOL blandt PLWHA[5]. I vores undersøgelsespopulation er hverken rygning eller eksponering for biomasse blevet rapporteret at være forbundet med KOL. Der er behov for at udforske faktorer, der driver kronisk luftvejsbetændelse blandt PLWHA.

Begrundelse Specifikke mikrobielle samfund, der er i stand til at fremkalde intense immunresponser, kan bestemme resultatet af vært-mikrobion-interaktion, enten immuntolerance eller inflammation. Mens dybdegående karakterisering af luftvejsmikrobiom er blevet udført i humane KOL-studier og dyremodeller[5-8], er der kun rapporteret sammenhænge, ​​og nogle få specifikke signaturer er blevet impliceret som forudsigere for KOL-dødelighed[9]. Få dyrebaserede mikrobiommodeller er blevet oversat til testbare menneskelige luftveje eller lungebaserede modeller for at uddybe mikrobiomets mekanistiske rolle i KOL. At dechifrere, hvilke bakterier der fremkalder en stærk immunrespons midt i et væld af mikrobielle samfund, forbliver et betydeligt interesseområde for at sub-fænotype og identificere behandlelige egenskaber. Vi mener, at forfølgelsen af ​​dette forskningsspørgsmål vil give et grundlag for immunfænotypning af luftvejsmikrobielle samfund som tolerogene (Treg-inducerende) eller inflammatoriske (Th17-inducerende), en potentielt banebrydende videnskabelig opdagelse inden for respiratorisk immunbiologi.

Litteraturgennemgang Globalt forekommer mere end 80 % af NCD-relaterede dødsfald i lav- og mellemindkomstlande (LMIC)[10]. Blandt NCD'er er kronisk lungesygdom den fjerde hyppigste dødsårsag på verdensplan og forventes at være det tredjestørste sundhedsproblem i Afrika syd for Sahara i 2030[11]. KOL er en progressiv livstruende luftstrømsobstruktion, der forårsager åndenød i starten ved anstrengelse og disponerer for eksacerbationer og alvorlig sygdom[12]. I den almindelige befolkning havde KOL krævet i alt tre millioner liv globalt i 2015[13]. Som et resultat af den globale opskalering af antiretroviral terapi (ART) og cotrimoxazolprofylakse er forekomsten af ​​lungeinfektioner faldet dramatisk, men KOL er en stadig mere anerkendt, men dårligt forstået komplikation[14]. En meta-analyse af epidemiologien af ​​KOL i den globale HIV-inficerede befolkning til dato viser en KOL-prævalens på mellem 3 og 23 %[15].

Indtil 2015 havde prævalensen og risikofaktorerne for KOL i Uganda stort set været ukarakteriseret. Prævalensen af ​​KOL blev først estimeret i en landbefolkning i Uganda til 16 % prævalens[11]. I denne undersøgelse sammenlignede de ikke prævalens efter HIV-status. Den rapporterede prævalens var højere sammenlignet med andre undersøgelser i regionen og kan forklares af andre faktorer. Siddharthan og kolleger rapporterede en 6,1 % prævalens af KOL i landlige ugandiske samfund i Nakaseke-distriktet sammenlignet med en prævalens på 1,5 % i bysamfund i Kampala[16]. I denne undersøgelse blev det fremhævet, at den vigtigste faktor forbundet med KOL var bopæl på landet, og HIV så ikke ud til at være en vigtig risikofaktor for KOL[5]. Ikke desto mindre undersøgte denne populationsbaserede undersøgelse ikke virkningerne af HIV-viral load og CD4-tal på KOL-prævalens og lungefunktionsudfald. Også hiv-status blev selvrapporteret på 8,1 %. Tilsvarende rapporterede North og kolleger i en nylig undersøgelse i det sydvestlige Uganda ikke nogen signifikant sammenhæng mellem HIV og luftvejssymptomer eller lungefunktion. Forfatterne undersøgte dog ikke virkningerne af HIV-specifikke karakteristika på KOL[17].

I landlige omgivelser med ART-klinikker i Nakaseke-distriktet i Uganda, hvor deltagere havde velkontrolleret HIV, fandt vi en KOL-prævalens på 6,22 %[5]. Anamnese med lungetuberkulose var stærkt forbundet med KOL og nedsat lungefunktion. Som forventet var stigende alder forbundet med nedsat lungefunktion. Imidlertid var HIV-specifikke karakteristika, herunder brug og varighed af ART, nuværende og baseline CD4+T-celletal og viral belastning ikke forbundet med KOL eller nedsat lungefunktion både i en justeret og justeret analyse[5]. Blandt de diagnosticerede var KOL forbundet med nedsat respiratorisk sundhedstilstand og alvorlige luftvejssymptomer. I øjeblikket er det ikke fuldt ud kendt, hvad der driver kronisk lungebetændelse i vores PLWHA-population med over 90 % virologisk undertrykt, cluster of differentiation 4 (CD4) count >500, 80 % ikke-ryger, med historie med helbredelse fra lungetuberkulose og ingen signifikant sammenhæng mellem KOL og biomasseeksponering[5]. Beviser fra nyere undersøgelser tyder på, at bakteriesamfund, der bor på slimhinderne i luftvejene, driver kronisk inflammation[8].

Under homøostatiske forhold er luftvejsslimhindeoverfladen beboet af kommensale mikrobielle samfund. Disse organismer inducerer koloniseringsresistens mod patobionter gennem flere molekylære mekanismer[18]. De mest undersøgte mekanismer involverer mikrobe-mikrobe og mikrobe-vært-interaktioner. Kommensaler replikerer meget hurtigt og lever i tæt besatte biologiske nicher, hvilket begrænser tilgængeligheden af ​​næringsstoffer i disse mikrohabitater. Denne konkurrence om ressourcer som aminosyrer, sukkerarter, zink, jern og ilt begrænser kolonisering af patobionter[18]. En højere mikrobiel diversitet indebærer således, at flere mikrober bruger en mere alsidig pulje af metabolitter, hvilket udgør en udfordring for enhver patobiont at trives. Derfor destabiliserer enhver ændring, der resulterer i tab af mikrobiel biomasse eller diversitet, det mikrobielle økosystem, hvilket skaber en mulighed for stammer med øget fitness til at formere sig.

Nogle commensaler hæmmer direkte vækst af pathobionter gennem sekretion af antimikrobielle peptider (AMP'er). Sådanne faktorer hæmmer væksten af ​​tilstødende bakterier ved et væld af mekanismer, såsom inhibering af cellevægssyntese, dannelse af porer og nukleaseaktivitet. Andre ikke-peptidmolekyler, der hæmmer spredning af nabobakterier, omfatter kortkædede fedtsyrer (SCFA'er), hydrogenperoxid (H2O2) og sekundære galdesyrer. Endelig er bakterielle sekretionssystemer (især Type VI-sekretionssystem) blevet brugt i vid udstrækning af kommensaler til at transportere giftige stoffer ind i deres miljø eller endda nærliggende eukaryote eller prokaryote celler[18].