Atemwegsmikrobiom und Th17-vermittelte Entzündung bei COPD bei HIV-infizierten Personen in einer ländlichen ugandischen Kohorte (HLM)

Einleitung Die Verbesserung des Zugangs zur antiretroviralen Therapie (ART) bei Menschen mit HIV/AIDS (PLWHA) hat zu einem Rückgang der HIV-assoziierten Morbidität und Mortalität geführt[1]. Dies gilt insbesondere für Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMICs), die die größte HIV-Belastung tragen[2]. Der Rückgang der Sterblichkeit hat die Lebenserwartung erheblich erhöht, wobei sich die Schätzungen unter Menschen mit HIV mittlerweile denen der Allgemeinbevölkerung annähern[3]. Infolgedessen haben Überlebende zunehmend auf die neu auftretende Belastung durch nicht übertragbare Krankheiten (NCD), wie beispielsweise die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), geachtet[4]. In Afrika südlich der Sahara, das die höchste Dichte an Menschen mit HIV aufweist, kam es zu einem dramatischen Anstieg der COPD-bedingten Morbidität und Mortalität, insbesondere bei Personen mit Lungentuberkulose (PTB) in der Vorgeschichte[5]. In ländlichen ugandischen ART-Kliniken berichteten wir über eine COPD-Prävalenz von 6,22 %, wobei die PTB in der Vorgeschichte der stärkste Prädiktor für das COPD-Risiko und eine verminderte Lungenfunktion war[5]. Derzeit ist nicht vollständig geklärt, was chronische Lungenentzündungen bei Menschen mit HIV und HIV auslöst, die mit ART gut kontrolliert werden.

Auf der Suche nach Antworten auf die obige Frage haben wir die Rolle eines veränderten Atemwegsmikrobioms bei der Entstehung chronischer Atemwegsentzündungen bei Menschen mit HIV untersucht. Unsere Forschungsfrage wurde durch ein wachsendes Wissen aus Studien an Menschen und Tieren gestützt, dass Veränderungen in den Bakteriengemeinschaften, die die Atemwege bewohnen, Immunreaktionen und chronische Atemwegsentzündungen auslösen[6-9]. In einer aktuellen Studie mit 50 HIV+COPD+-, 50 HIV+COPD-, 50 HIV-COPD- und 50 HIV-COPD- Teilnehmern im ländlichen Uganda untersuchten wir den Zusammenhang zwischen verändertem Atemwegsmikrobiom und HIV-assoziierter COPD (NCT040702). Eine vorläufige Analyse der 16S-Sequenzierung von induzierten Sputumproben ergab, dass kommensale Mikroben der Gattungen Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum und Oribacterium trotz geringfügiger Unterschiede in der Bakterienvielfalt zwischen PLHWA mit COPD im Vergleich zu Kontrollen signifikant an PLWHA angereichert waren mit COPD, während Mikroben der Gattungen Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter und Filifactor dezimiert waren. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass mehr Lungenbakterien von HIV als von COPD betroffen sind, was darauf hindeutet, dass HIV-assoziierte Veränderungen in einzigartigen mikrobiellen Gattungen der Atemwege COPD bei Menschen mit HIV in unserer Kohorte auslösen könnten. Derzeit ist unklar, wie solche Gattungen zu chronischen Atemwegsentzündungen führen.

Studien an Mausmodellen berichten, dass Prevotella, Bacteroides und Veillonella eine wichtige Rolle bei der Orchestrierung von Lungenentzündungen durch Toll-like-Rezeptor (TLR) 2/4-Signale an Alveolarmakrophagen, Epithelzellen und dendritischen Zellen spielen, die Zellen der adaptiven Immunität vorbereiten[8]. Das berichtete Ergebnis war eine abweichende Th17- und verringerte Treg-Immunantwort unter Verwendung keimfreier und spezifisch pathogenfreier Mäusemodelle [8]. In ähnlicher Weise zeigen aktuelle Erkenntnisse aus Humanstudien, dass die Gattungen Prevotella und Veillonella mit einem ausgeprägten Stoffwechselprofil und einer verstärkten entzündungsfördernden Zytokinexpression verbunden sind, die durch eine erhöhte Th17-Zellreaktion gekennzeichnet ist[9]. Es wurde berichtet, dass die Kommunikation zwischen Mikrobiom und Wirtszelle durch sezernierte bakterielle Außenmembranvesikel (OMVs) vermittelt wird, die mit der bakteriellen Biomasse korrelieren (Abbildung 2) [8]. Wir glauben, dass die Identifizierung von Atemwegsbakteriengattungen, die bei Menschen mit COPD eine abweichende Th17-Reaktion hervorrufen, ein Sprungbrett für die Entwicklung von Strategien zur Wiederherstellung des mikrobiellen Gleichgewichts sein könnte, entweder durch direkte Eliminierung von Pathobionten durch Antibiotika oder durch Wiederherstellung von Kommensalen durch Probiotika, um die Kolonisierungsresistenz auf Schleimhautoberflächen zu fördern .

Vor diesem Hintergrund wollen wir untersuchen, ob das Mikrobiom der Atemwege die Th17-vermittelte Atemwegsentzündung bei COPD bei HIV-infizierten Personen fördert. Wir gehen davon aus, dass: (1) das Mikrobiom Th17 in den Atemwegen induziert und die Treg-Immunantwort bei HIV-infizierten Personen mit COPD unterdrückt; (2) Die bakteriell gesteuerte Th17-Reaktion fördert die Expression entzündungsfördernder Gene bei Personen mit COPD und (3) das Atemwegsmikrobiom vermittelt seine Wirkung auf die Th17-Immunantwort durch die Sekretion bakterieller Außenmembranvesikel (OMVs).

In dieser Studie werden wir: (1) einen Zusammenhang zwischen dem Atemwegsmikrobiom und den zellulären Th17/Treg-Phänotypen bei HIV-infizierten Personen mit COPD herstellen; (2) untersuchen die bakteriell vermittelte Th17-Hochregulierung entzündungsfördernder und profibrotischer Gene bei HIV-Personen mit COPD und (3) erforschen die Rolle bakterieller Außenmembranvesikel (OMVs) bei der Vermittlung mikrobiomgesteuerter Th17-Immunantworten bei HIV-Personen.

Studienziele und Zielsetzungen

Studienziel:

Untersuchung der durch das Mikrobiom der Atemwege verursachten Th17-vermittelten Entzündung bei COPD bei HIV-infizierten Personen

Bestimmte Ziele

1. Es sollte ein Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom der Atemwege und den zellulären Th17/Treg-Phänotypen bei HIV-infizierten Personen mit COPD hergestellt werden.
2. Untersuchung der bakteriell vermittelten Th17-Hochregulation entzündungsfördernder Gene bei HIV-infizierten Personen mit COPD
3. Es sollte die Rolle von bakteriellen Außenmembranvesikeln (OMVs) bei der Vermittlung dysbiosebedingter Th17-Immunantworten bei HIV-Individuen untersucht werden.

Problemstellung Die Prävalenz chronisch obstruktiver Lungenerkrankungen nimmt bei Menschen mit HIV/AIDS (PLWHA) zu, da die weit verbreitete Anwendung der antiretroviralen Therapie (ART) die Lebenserwartung dieser Bevölkerungsgruppe erhöht hat[5]. Es ist immer noch nicht bekannt, was chronische Atemwegsentzündungen bei HIV-infizierten Menschen verursacht, die durch ART gut kontrolliert werden. Obwohl ein gut belegter Zusammenhang zwischen COPD und Lungentuberkulose besteht, erklärt dies nicht vollständig die gemeldeten COPD-Fälle bei Menschen mit HIV/AIDS[5]. In unserer Studienpopulation wurde weder ein Zusammenhang zwischen Rauchen oder Biomasse-Exposition mit COPD festgestellt. Es besteht Bedarf, die Faktoren zu untersuchen, die chronische Atemwegsentzündungen bei Menschen mit HIV auslösen.

Begründung Spezifische mikrobielle Gemeinschaften, die in der Lage sind, intensive Immunantworten hervorzurufen, könnten das Ergebnis der Interaktion zwischen Wirt und Mikrobiom bestimmen und entweder Immuntoleranz oder Entzündung hervorrufen. Während eine eingehende Charakterisierung des Atemwegsmikrobioms in COPD-Studien am Menschen und in Tiermodellen durchgeführt wurde[5-8], wurden nur Zusammenhänge berichtet und einige spezifische Signaturen wurden als Prädiktoren für die COPD-Mortalität in Betracht gezogen[9]. Nur wenige tierbasierte Mikrobiommodelle wurden in testbare menschliche Atemwegs- oder Lungenmodelle übersetzt, um die mechanistische Rolle des Mikrobioms bei COPD zu untersuchen. Die Entschlüsselung, welche Bakterien inmitten einer Vielzahl mikrobieller Gemeinschaften eine starke Immunantwort auslösen, bleibt ein wichtiges Interessengebiet für die Subphänotypisierung und die Identifizierung behandelbarer Merkmale. Wir glauben, dass die Verfolgung dieser Forschungsfrage eine Grundlage für die Immunphänotypisierung mikrobieller Gemeinschaften in den Atemwegen als tolerogen (Treg-induzierend) oder entzündlich (Th17-induzierend) liefern wird, eine möglicherweise bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckung in der respiratorischen Immunbiologie.

Literaturübersicht Weltweit ereignen sich mehr als 80 % der durch nichtübertragbare Krankheiten verursachten Todesfälle in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMIC)[10]. Unter den nichtübertragbaren Krankheiten sind chronische Lungenerkrankungen die vierthäufigste Todesursache weltweit und werden Prognosen zufolge bis 2030 das drittgrößte Gesundheitsproblem in Afrika südlich der Sahara sein[11]. COPD ist eine fortschreitende lebensbedrohliche Atemwegsbehinderung, die bei Anstrengung zunächst zu Atemnot führt und zu Exazerbationen und schweren Erkrankungen führt[12]. In der Allgemeinbevölkerung forderte COPD bis 2015 weltweit insgesamt drei Millionen Todesopfer[13]. Aufgrund der weltweiten Ausweitung der antiretroviralen Therapie (ART) und der Cotrimoxazol-Prophylaxe ist die Inzidenz von Lungeninfektionen dramatisch zurückgegangen, COPD ist jedoch eine zunehmend erkannte, aber kaum verstandene Komplikation[14]. Eine Metaanalyse zur Epidemiologie von COPD in der weltweiten HIV-infizierten Bevölkerung zeigt eine COPD-Prävalenz zwischen 3 und 23 %[15].

Bis 2015 waren die Prävalenz und Risikofaktoren für COPD in Uganda weitgehend unbekannt. Die Prävalenz von COPD wurde erstmals bei einer ländlichen Bevölkerung in Uganda auf 16 % geschätzt[11]. In dieser Studie wurde die Prävalenz nicht anhand des HIV-Status verglichen. Die gemeldete Prävalenz war im Vergleich zu anderen Studien in der Region höher und kann durch andere Faktoren erklärt werden. Siddharthan und Kollegen berichteten von einer COPD-Prävalenz von 6,1 % in ländlichen ugandischen Gemeinden im Distrikt Nakaseke, verglichen mit einer Prävalenz von 1,5 % in städtischen Gemeinden von Kampala[16]. In dieser Studie wurde hervorgehoben, dass der wichtigste Faktor im Zusammenhang mit COPD der Wohnort auf dem Land ist und HIV offenbar kein wichtiger Risikofaktor für COPD ist[5]. Dennoch untersuchte diese bevölkerungsbasierte Studie nicht die Auswirkungen der HIV-Viruslast und der CD4-Zahl auf die COPD-Prävalenz und die Lungenfunktionsergebnisse. Auch der HIV-Status wurde mit 8,1 % selbst angegeben. In ähnlicher Weise berichteten North und Kollegen in einer kürzlich im Südwesten Ugandas durchgeführten Studie über keinen signifikanten Zusammenhang zwischen HIV und Atemwegssymptomen oder Lungenfunktion. Allerdings untersuchten die Autoren nicht die Auswirkungen HIV-spezifischer Merkmale auf COPD[17].

In einer ländlichen Umgebung von ART-Kliniken im Distrikt Nakaseke in Uganda mit Teilnehmern, die HIV gut unter Kontrolle hatten, fanden wir eine COPD-Prävalenz von 6,22 %[5]. Eine Lungentuberkulose in der Anamnese war stark mit COPD und einer verminderten Lungenfunktion verbunden. Wie erwartet war ein zunehmendes Alter mit einer verminderten Lungenfunktion verbunden. HIV-spezifische Merkmale wie die Anwendung und Dauer von ART, aktuelle und Ausgangs-CD4+T-Zellzahlen und Viruslast waren jedoch sowohl in einer angepassten als auch in einer angepassten Analyse nicht mit COPD oder einer verminderten Lungenfunktion verbunden[5]. Unter den diagnostizierten Personen war COPD mit einer verminderten Atemwegsgesundheit und schweren Atemwegssymptomen verbunden. Derzeit ist nicht vollständig geklärt, was chronische Lungenentzündungen in unserer PLWHA-Population auslöst, da über 90 % virologisch unterdrückt sind, der Differenzierungscluster 4 (CD4) mehr als 500 zählt, 80 % Nichtraucher sind, Lungentuberkulose in der Vergangenheit geheilt wurde und kein signifikanter Zusammenhang besteht zwischen COPD und Biomasseexposition[5]. Erkenntnisse aus neueren Studien deuten darauf hin, dass Bakteriengemeinschaften, die die Schleimhautoberflächen der Atemwege bewohnen, chronische Entzündungen auslösen[8].

Unter homöostatischen Bedingungen wird die Schleimhautoberfläche der Atemwege von kommensalen mikrobiellen Gemeinschaften bewohnt. Diese Organismen induzieren über mehrere molekulare Mechanismen eine Kolonisierungsresistenz gegen Pathobionten[18]. Zu den am häufigsten untersuchten Mechanismen gehören Mikroben-Mikroben- und Mikroben-Wirt-Wechselwirkungen. Kommensalen vermehren sich sehr schnell und leben in dicht besiedelten biologischen Nischen, wodurch die Nährstoffverfügbarkeit innerhalb dieser Mikrolebensräume begrenzt ist. Dieser Wettbewerb um Ressourcen wie Aminosäuren, Zucker, Zink, Eisen und Sauerstoff begrenzt die Besiedlung durch Pathobionten[18]. Eine höhere mikrobielle Diversität bedeutet also, dass mehr Mikroben einen vielseitigeren Pool an Metaboliten nutzen, was für das Gedeihen aller Pathobionten eine Herausforderung darstellt. Daher destabilisieren alle Veränderungen, die zum Verlust mikrobieller Biomasse oder Diversität führen, das mikrobielle Ökosystem und bieten Stämmen mit erhöhter Fitness die Möglichkeit, sich zu vermehren.

Einige Kommensalen hemmen das Wachstum von Pathobionten direkt durch die Sekretion antimikrobieller Peptide (AMPs). Solche Faktoren hemmen das Wachstum benachbarter Bakterien durch eine Vielzahl von Mechanismen wie die Hemmung der Zellwandsynthese, die Bildung von Poren und die Nukleaseaktivität. Zu den anderen Nichtpeptidmolekülen, die die Vermehrung benachbarter Bakterien hemmen, gehören kurzkettige Fettsäuren (SCFAs), Wasserstoffperoxid (H2O2) und sekundäre Gallensäuren. Schließlich werden bakterielle Sekretionssysteme (insbesondere Typ VI-Sekretionssysteme) häufig von Kommensalen genutzt, um toxische Substanzen in ihre Umgebung oder sogar in nahegelegene eukaryotische oder prokaryotische Zellen zu transportieren[18].