Microbioma de las vías respiratorias e inflamación mediada por Th17 en la EPOC entre individuos infectados por el VIH en una cohorte rural de Uganda (HLM)

Introducción La mejora en el acceso a la terapia antirretroviral (TAR) entre las personas que viven con el VIH/SIDA (PVVS) se ha traducido en una disminución de la morbilidad y mortalidad asociadas al VIH[1]. Esto es particularmente cierto en los países de ingresos bajos y medianos (LMIC), que soportan la mayor carga de VIH[2]. La reducción de la mortalidad ha aumentado sustancialmente la esperanza de vida, con estimaciones entre las PVVS que ahora se acercan a las de la población general[3]. En consecuencia, ha habido una mayor atención entre los sobrevivientes a la carga emergente de enfermedades no transmisibles (ENT), como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) [4]. El África subsahariana, que tiene la densidad más alta de PVVS, ha experimentado aumentos dramáticos en la morbilidad y mortalidad relacionadas con la EPOC, especialmente en personas con antecedentes de tuberculosis pulmonar (PTB) [5]. En las clínicas rurales de TAR de Uganda, informamos una prevalencia de EPOC del 6,22 %, siendo el antecedente de PTB el predictor más fuerte de riesgo de EPOC y función pulmonar reducida [5]. Actualmente, no se sabe completamente qué impulsa la inflamación pulmonar crónica en la población de PLWHA bien controlada con ART.

En busca de respuestas a la pregunta anterior, hemos estado explorando el papel del microbioma alterado de las vías respiratorias en la orquestación de la inflamación crónica de las vías respiratorias en las PVVS. Nuestra pregunta de investigación ha sido respaldada por un creciente cuerpo de conocimiento de estudios en humanos y animales de que las alteraciones en las comunidades bacterianas que habitan en las vías respiratorias desencadenan respuestas inmunitarias e inflamación crónica de las vías respiratorias [6-9]. En un estudio reciente en el que participaron 50 participantes VIH+EPOC+, 50 VIH+EPOC-, 50 VIH-EPOC- y 50 VIH-EPOC- en zonas rurales de Uganda, investigamos la asociación entre el microbioma alterado de las vías respiratorias y la EPOC asociada al VIH (NCT040702). El análisis preliminar de la secuenciación 16S en muestras de esputo inducido reveló que, a pesar de las pequeñas diferencias en la diversidad bacteriana entre las PVVS con EPOC en comparación con los controles, los microbios comensales pertenecientes a los géneros Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum y Oribacterium estaban significativamente enriquecidos en las PVVS. con EPOC mientras que los microbios pertenecientes a los géneros Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter y Filifactor se agotaron. Nuestros resultados muestran claramente que hay más bacterias pulmonares afectadas por el VIH que por la EPOC, lo que sugiere que los cambios asociados con el VIH en géneros microbianos únicos de las vías respiratorias pueden estar impulsando la EPOC entre las PVVS de nuestra cohorte. Actualmente, lo que aún se desconoce es cómo estos géneros provocan la inflamación crónica de las vías respiratorias.

Los estudios de modelos de ratón informan que Prevotella, Bacteroides y Veillonella desempeñan un papel importante en la orquestación de la inflamación pulmonar a través de la señalización del receptor tipo Toll (TLR) 2/4 en los macrófagos alveolares, las células epiteliales y las células dendríticas que preparan las células de la inmunidad adaptativa[8]. El resultado informado ha sido Th17 aberrante y respuestas inmunitarias Treg reducidas utilizando modelos de ratones libres de patógenos específicos y libres de gérmenes [8]. Del mismo modo, la evidencia reciente en estudios en humanos muestra que los géneros Prevotella y Veillonella están asociados con un perfil metabólico distinto, una expresión mejorada de citocinas proinflamatorias caracterizada por una respuesta celular Th17 elevada [9]. Se ha informado que la comunicación microbioma-célula huésped está mediada por vesículas de membrana externa (OMV) bacterianas secretadas, que se correlacionan con la biomasa bacteriana (figura 2) [8]. Creemos que la identificación de géneros bacterianos de las vías respiratorias que provocan una respuesta Th17 aberrante entre las PVVS con EPOC podría ser un trampolín hacia el desarrollo de estrategias destinadas a restaurar el equilibrio microbiano, ya sea mediante la eliminación directa de patobiontes mediante antibióticos o la restauración de comensales mediante probióticos para promover la resistencia a la colonización en las superficies mucosas. .

En base a estos antecedentes, nuestro objetivo es investigar si el microbioma de las vías respiratorias alimenta la inflamación de las vías respiratorias mediada por Th17 en la EPOC entre las personas infectadas por el VIH. Presumimos que: (1) el microbioma induce Th17 en las vías respiratorias y suprime las respuestas inmunitarias Treg entre las personas infectadas por el VIH con EPOC; (2) la respuesta Th17 impulsada por bacterias promueve la expresión de genes proinflamatorios entre las personas con EPOC y (3) el microbioma de las vías respiratorias media su efecto en la respuesta inmune Th17 a través de la secreción de vesículas de membrana externa (OMV) bacterianas.

En este estudio: (1) estableceremos una relación entre el microbioma de las vías respiratorias y los fenotipos celulares Th17/Treg entre personas infectadas por el VIH con EPOC; (2) investigar la regulación al alza Th17 mediada por bacterias de genes proinflamatorios y profibróticos entre personas con VIH y EPOC y (3) explorar el papel de las vesículas de membrana externa (OMV) bacterianas en la mediación de respuestas inmunitarias Th17 impulsadas por microbiomas entre personas con VIH.

Propósitos y objetivos del estudio

Objetivo del estudio:

Investigar la inflamación mediada por Th17 impulsada por el microbioma de las vías respiratorias en la EPOC entre individuos infectados por el VIH

Objetivos específicos

1. Establecer una relación entre el microbioma de las vías respiratorias y los fenotipos celulares Th17/Treg en individuos infectados por el VIH con EPOC.
2. Investigar la regulación al alza Th17 mediada por bacterias de genes proinflamatorios entre personas infectadas por el VIH con EPOC
3. Investigar el papel de las vesículas de la membrana externa bacteriana (OMV) en la mediación de las respuestas inmunitarias Th17 impulsadas por la disbiosis entre las personas con VIH.

Planteamiento del problema La prevalencia de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica está aumentando entre las personas que viven con el VIH/SIDA (PVVS), ya que el uso generalizado de la terapia antirretroviral (TAR) ha aumentado la longevidad en esta población[5]. Todavía se desconoce qué impulsa la inflamación crónica de las vías respiratorias en las PVVS bien controladas con TAR. A pesar de una asociación bien establecida entre la EPOC y la tuberculosis pulmonar, no explica completamente los casos notificados de EPOC entre las PVVS[5]. En nuestra población de estudio, no se ha informado que ni el tabaquismo ni la exposición a la biomasa estén asociados con la EPOC. Es necesario explorar los factores que impulsan la inflamación crónica de las vías respiratorias entre las PVVS.

Justificación Las comunidades microbianas específicas capaces de provocar respuestas inmunitarias intensas podrían determinar el resultado de la interacción huésped-microbioma, ya sea tolerancia inmunitaria o inflamación. Mientras que la caracterización en profundidad del microbioma de las vías respiratorias se ha realizado en estudios humanos de EPOC y modelos animales [5-8], solo se han informado asociaciones y algunas firmas específicas se han implicado como predictores de mortalidad por EPOC [9]. Pocos modelos de microbiomas basados ​​en animales se han traducido en modelos comprobables de vías respiratorias humanas o basados ​​en pulmones para profundizar en el papel mecánico del microbioma en la EPOC. Descifrar qué bacterias inducen una fuerte respuesta inmune en medio de una multitud de comunidades microbianas sigue siendo un área importante de interés para subfenotipar e identificar rasgos tratables. Creemos que la búsqueda de esta pregunta de investigación proporcionará una base para la inmunofenotipificación de las comunidades microbianas de las vías respiratorias como tolerogénicas (inductoras de Treg) o inflamatorias (inductoras de Th17), un descubrimiento científico potencialmente fundamental en inmunobiología respiratoria.

Revisión de la literatura A nivel mundial, más del 80% de las muertes relacionadas con ENT ocurren en países de ingresos bajos y medios (LMIC)[10]. Entre las ENT, la enfermedad pulmonar crónica es la cuarta causa de muerte en todo el mundo y se prevé que sea el tercer problema de salud más importante en el África subsahariana para 2030[11]. La EPOC es una obstrucción del flujo de aire progresiva y potencialmente mortal que causa disnea inicialmente con el esfuerzo y predispone a exacerbaciones y enfermedades graves [12]. En la población general, la EPOC se había cobrado un total de tres millones de vidas en todo el mundo en 2015[13]. Como resultado de la expansión mundial de la terapia antirretroviral (TAR) y la profilaxis con cotrimoxazol, la incidencia de infecciones pulmonares ha disminuido drásticamente, pero la EPOC es una complicación cada vez más reconocida pero poco conocida[14]. Un metanálisis sobre la epidemiología de la EPOC en la población mundial infectada por el VIH hasta la fecha demuestra una prevalencia de la EPOC entre el 3 y el 23 %[15].

Hasta 2015, la prevalencia y los factores de riesgo de la EPOC en Uganda no se habían caracterizado en gran medida. La prevalencia de la EPOC se estimó por primera vez en una población rural de Uganda con una prevalencia del 16 %[11]. En este estudio, no compararon la prevalencia según el estado del VIH. La prevalencia reportada fue mayor en comparación con otros estudios en la región y puede explicarse por otros factores. Siddharthan y sus colegas informaron una prevalencia de EPOC del 6,1 % en las comunidades rurales de Uganda del distrito de Nakaseke en comparación con una prevalencia del 1,5 % en las comunidades urbanas de Kampala[16]. En este estudio, se destacó que el factor más importante asociado con la EPOC era la residencia rural, y el VIH no parecía ser un factor de riesgo importante para la EPOC[5]. Sin embargo, este estudio basado en la población no exploró los efectos de la carga viral del VIH y el recuento de CD4 en la prevalencia de la EPOC y los resultados de la función pulmonar. Además, el estado serológico respecto al VIH fue autoinformado en un 8,1 %. De manera similar, en un estudio reciente en el suroeste de Uganda, North y sus colegas no informaron ninguna asociación significativa entre el VIH y los síntomas respiratorios ni la función pulmonar. Sin embargo, los autores no exploraron los efectos de las características específicas del VIH en la EPOC[17].

En un entorno rural de clínicas de TAR en el distrito de Nakaseke de Uganda, con participantes que tenían el VIH bien controlado, encontramos una prevalencia de EPOC del 6,22 %[5]. La historia de tuberculosis pulmonar se asoció fuertemente con EPOC y función pulmonar reducida. Como era de esperar, el aumento de la edad se asoció con una función pulmonar reducida. Sin embargo, las características específicas del VIH, incluido el uso y la duración del TAR, los recuentos de células T CD4+ actuales y basales y la carga viral, no se asociaron con la EPOC ni con la función pulmonar reducida, tanto en un análisis ajustado como ajustado[5]. Entre los diagnosticados, la EPOC se asoció con un estado de salud respiratorio reducido y síntomas respiratorios graves. Actualmente, no se sabe completamente qué impulsa la inflamación pulmonar crónica en nuestra población de PLWHA con más del 90 % de supresión virológica, conteo de grupo de diferenciación 4 (CD4) >500, 80 % no fumador, con antecedentes de curación de la tuberculosis pulmonar y sin asociación significativa entre la EPOC y la exposición a la biomasa[5]. La evidencia de estudios recientes sugiere que las comunidades bacterianas que habitan en las superficies mucosas de las vías respiratorias provocan inflamación crónica[8].

En condiciones homeostáticas, la superficie de la mucosa de las vías respiratorias está habitada por comunidades microbianas comensales. Estos organismos inducen resistencia a la colonización contra patobiontes a través de varios mecanismos moleculares[18]. Los mecanismos más estudiados implican interacciones microbio-microbio y microbio-huésped. Los comensales se replican muy rápidamente y subsisten en nichos biológicos densamente ocupados, lo que limita la disponibilidad de nutrientes dentro de estos microhábitats. Esta competencia por recursos como aminoácidos, azúcares, zinc, hierro y oxígeno limita la colonización por patobiontes[18]. Por lo tanto, una mayor diversidad microbiana implica que más microbios utilicen un grupo de metabolitos más versátil, lo que plantea un desafío para que cualquier patobionte prospere. Por lo tanto, cualquier cambio que resulte en la pérdida de biomasa o diversidad microbiana desestabiliza el ecosistema microbiano, creando una oportunidad para que las cepas con mayor aptitud proliferen.

Algunos comensales inhiben directamente el crecimiento de patobiontes a través de la secreción de péptidos antimicrobianos (AMP). Dichos factores restringen el crecimiento de bacterias adyacentes mediante una plétora de mecanismos, como la inhibición de la síntesis de la pared celular, la formación de poros y la actividad de la nucleasa. Otras moléculas no peptídicas que inhiben la proliferación de bacterias vecinas incluyen ácidos grasos de cadena corta (SCFA), peróxido de hidrógeno (H2O2) y ácidos biliares secundarios. Finalmente, los sistemas de secreción bacterianos (especialmente el sistema de secreción tipo VI) han sido ampliamente utilizados por comensales para transportar sustancias tóxicas a su entorno o incluso a células eucariotas o procariotas cercanas [18].