Hengitysteiden mikrobiomi ja Th17-välitteinen tulehdus COPD:ssä HIV-tartunnan saaneilla henkilöillä Ugandan maaseutukohortissa (HLM)

Johdanto Antiretroviraalisen hoidon (ART) saatavuuden parantuminen HIV/aidsia (PLWHA) sairastavien ihmisten keskuudessa on johtanut HIV:hen liittyvän sairastuvuuden ja kuolleisuuden vähenemiseen[1]. Tämä pätee erityisesti alhaisen ja keskitulotason maihin (LMIC), jotka kantavat suurimman HIV-taakan[2]. Kuolleisuuden väheneminen on pidentänyt huomattavasti elinajanodotetta, ja arviot PLWHA:ista lähestyvät nyt koko väestön arviota[3]. Tästä syystä eloonjääneiden keskuudessa on kiinnitetty entistä enemmän huomiota ei-tarttuvien sairauksien, kuten kroonisen obstruktiivisen keuhkosairauden (COPD) lisääntymiseen[4]. Saharan eteläpuolisessa Afrikassa, jossa on eniten PLWHA:ta, on keuhkoahtaumatautiin liittyvä sairastuvuus ja kuolleisuus lisääntynyt dramaattisesti erityisesti henkilöillä, joilla on aiemmin ollut keuhkotuberkuloosi (PTB)[5]. Ugandan maaseudun ART-klinikoilla raportoimme keuhkoahtaumatautien esiintyvyyden olevan 6,22 %, ja historiallinen PTB oli vahvin keuhkoahtaumatautiriskin ja heikentyneen keuhkojen toiminnan ennustaja[5]. Tällä hetkellä ei täysin tiedetä, mikä aiheuttaa kroonisen keuhkotulehduksen PLWHA-populaatiossa, joka on hyvin hallinnassa ART:lla.

Etsiessään vastauksia yllä olevaan kysymykseen olemme tutkineet muuttuneen hengitysteiden mikrobiomin roolia kroonisen hengitystietulehduksen järjestämisessä PLWHA:ssa. Tutkimuskysymystämme on tukenut kasvava ihmis- ja eläintutkimuksista saatu tieto, jonka mukaan hengitysteissä asuvien bakteeriyhteisöjen muutokset laukaisevat immuunivasteen ja kroonisen hengitystietulehduksen[6-9]. Äskettäisessä tutkimuksessa, johon osallistui 50 HIV+COPD+-, 50 HIV+COPD-, 50 HIV-COPD- ja 50 HIV-COPD-potilasta Ugandan maaseudulla, tutkimme hengitysteiden muuttuneen mikrobiomin ja HIV:hen liittyvän COPD:n välistä yhteyttä (NCT040702). Alustava analyysi 16S-sekvensoinnista indusoiduilla yskösnäytteillä paljasti, että huolimatta pienistä eroista keuhkoahtaumatautipotilaiden bakteerien monimuotoisuudessa verrokkeihin verrattuna, Atopobium-, Megasphaera-, Actinomyces-, Selenomonas-, Stomatobaculum- ja Oririchedum-sukuihin kuuluvia kommensaalimikrobeja esiintyi merkittävästi PLenWHA-bakteerissa. keuhkoahtaumatautiin, kun taas suvuihin Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter ja Filifactor kuuluvat mikrobit olivat ehtyneet. Tuloksemme osoittavat selvästi, että HIV:n vaikuttaneita keuhkobakteereja on enemmän kuin keuhkoahtaumatautia, mikä viittaa siihen, että HIV:hen liittyvät muutokset ainutlaatuisissa hengitysteiden mikrobisuvuissa voivat aiheuttaa keuhkoahtaumatautia kohorttimme PLWHA:iden keskuudessa. Tällä hetkellä ei tiedetä, kuinka tällaiset suvut ajavat kroonista hengitystietulehdusta.

Hiirimalleilla tehdyt tutkimukset raportoivat Prevotellan, Bacteroidesin ja Veillonellan olevan merkittävä rooli keuhkotulehduksen järjestämisessä Toll-tyyppisen reseptorin (TLR) 2/4-signaloinnin kautta alveolaarisissa makrofageissa, epiteelisoluissa ja dendriittisoluissa, jotka antavat soluille mukautuvan immuniteetin[8]. Raportoitu tulos on ollut poikkeava Th17 ja vähentynyt Treg-immuunivasteet käyttämällä mikrobittomia ja spesifisiä patogeenivapaita hiirmalleja [8]. Samoin viimeaikaiset todisteet ihmistutkimuksista osoittavat, että Prevotella- ja Veillonella-suvut liittyvät erilliseen metaboliseen profiiliin, lisääntyneeseen tulehdusta edistävään sytokiinien ilmentymiseen, jolle on ominaista kohonnut Th17-soluvaste[9]. Mikrobiomin ja isäntäsolun välisen kommunikoinnin on raportoitu välittyvän erittyneiden bakteerien ulkokalvorakkuloiden (OMV) kautta, jotka korreloivat bakteerien biomassan kanssa (kuva 2) [8]. Uskomme, että keuhkoahtaumatautia sairastavien PLWHA-potilaiden poikkeavan Th17-vasteen aiheuttavien hengitysteiden bakteerisukujen tunnistaminen voisi olla ponnahduslauta strategioiden kehittämiseen, joilla pyritään palauttamaan mikrobitasapaino joko eliminoimalla patobiontit suoraan antibiooteilla tai palauttamalla kommensaalit probioottien avulla kolonisaatioresistenssin edistämiseksi limakalvopinnoilla. .

Tämän taustan perusteella pyrimme tutkimaan, ruokkiiko hengitysteiden mikrobiomi Th17-välitteistä hengitystietulehdusta COPD:ssä HIV-tartunnan saaneilla henkilöillä. Oletamme, että: (1) mikrobiomi indusoi hengitysteiden Th17:ää ja suppressoi Treg-immuunivasteita keuhkoahtaumatautia sairastavien HIV-infektoituneiden yksilöiden keskuudessa; (2) bakteerien ohjaama Th17-vaste edistää tulehdusta edistävien geenien ilmentymistä keuhkoahtaumatautia sairastavien yksilöiden keskuudessa ja (3) hengitysteiden mikrobiomi välittää sen vaikutusta Th17-immuunivasteeseen erittymällä bakteerien ulkokalvorakkuloita (OMV).

Tässä tutkimuksessa me: (1) määritämme suhteen hengitysteiden mikrobiomin ja Th17/Treg-solujen fenotyyppien välille HIV-tartunnan saaneiden COPD-potilaiden keskuudessa; (2) tutkia bakteerivälitteistä proinflammatoristen ja pro-fibroottisten geenien säätelyä keuhkoahtaumatautia sairastavilla HIV-henkilöillä ja (3) tutkia bakteerien ulkokalvorakkuloiden (OMV) roolia mikrobiomiohjattujen Th17-immuunivasteiden välittämisessä HIV-henkilöiden keskuudessa.

Opintojen tavoitteet ja tavoitteet

Opintojen tavoite:

Hengitysteiden mikrobiomin ohjaama Th17-välitteisen tulehduksen tutkiminen COPD:ssä HIV-tartunnan saaneilla henkilöillä

Erityiset tavoitteet

1. Selvittää hengitysteiden mikrobiomin ja Th17/Treg-solujen fenotyyppien välinen suhde keuhkoahtaumatautia sairastavilla HIV-tartunnan saaneilla henkilöillä.
2. Tutkia bakteerivälitteistä tulehdusta edistävien geenien Th17-sääntelyä HIV-tartunnan saaneilla keuhkoahtaumatautia sairastavilla yksilöillä
3. Tutkia bakteerien ulkokalvorakkuloiden (OMV) roolia dysbioosin aiheuttamien Th17-immuunivasteiden välittämisessä HIV-henkilöiden keskuudessa.

Ongelman selvitys Kroonisen obstruktiivisen keuhkosairauden esiintyvyys lisääntyy HIV/AIDS-potilaiden (PLWHA) keskuudessa, koska antiretroviraalisen hoidon (ART) laaja käyttö on pidentänyt tämän väestön elinikää[5]. Vielä ei tiedetä, mikä aiheuttaa kroonisen hengitystietulehduksen PLWHA:ssa, joka on hyvin hallinnassa ART:lla. Huolimatta vakiintuneesta yhteydestä keuhkoahtaumatautien ja keuhkotuberkuloosin välillä, se ei täysin ota huomioon PLWHA:n raportoituja COPD-tapauksia[5]. Tutkimuspopulaatiossamme tupakoinnin tai biomassaaltistuksen ei ole raportoitu liittyvän keuhkoahtaumatautiin. On tarpeen tutkia tekijöitä, jotka aiheuttavat kroonista hengitystietulehdusta PLWHA:n keskuudessa.

Perustelu Tietyt mikrobiyhteisöt, jotka pystyvät saamaan aikaan voimakkaita immuunivasteita, voivat määrittää isännän ja mikrobien välisen vuorovaikutuksen tuloksen, joka voi olla joko immuunitoleranssi tai tulehdus. Vaikka hengitysteiden mikrobiomin perusteellinen karakterisointi on suoritettu keuhkoahtaumatautia koskevissa ihmistutkimuksissa ja eläinmalleissa[5-8], vain assosiaatioita on raportoitu ja muutamia erityisiä allekirjoituksia on liitetty keuhkoahtaumatautikuolleisuuden ennustajiin[9]. Harvat eläinpohjaiset mikrobiomimallit on käännetty testattaviksi ihmisen hengitysteihin tai keuhkoihin perustuviksi malleiksi mikrobiomin mekaanisen roolin selvittämiseksi COPD:ssä. Sen selvittäminen, mitkä bakteerit indusoivat vahvan immuunivasteen lukuisten mikrobiyhteisöjen keskellä, on edelleen merkittävä kiinnostuksen kohde alafenotyypin ja hoidettavien ominaisuuksien tunnistamisessa. Uskomme, että tämän tutkimuskysymyksen etsiminen tarjoaa perustan hengitysteiden mikrobiyhteisöjen immunofenotyyppien määrittämiselle tolerogeenisiksi (Treg-indusoivat) tai tulehdukselliset (Th17-indusoivat), mikä on mahdollisesti merkittävä tieteellinen löytö hengitysteiden immunobiologiassa.

Kirjallisuuskatsaus Maailmanlaajuisesti yli 80 prosenttia ei-infektioon liittyvistä kuolemista tapahtuu matala- ja keskituloisissa maissa (LMIC)[10]. Krooninen keuhkosairaus on NCD:stä neljänneksi yleisin kuolinsyy maailmanlaajuisesti, ja sen ennustetaan olevan Saharan eteläpuolisen Afrikan kolmanneksi suurin terveysongelma vuoteen 2030 mennessä[11]. Keuhkoahtaumatauti on etenevä hengenvaarallinen ilmavirtauksen esto, joka aiheuttaa aluksi hengästymistä rasituksen yhteydessä ja altistaa pahenemisvaiheille ja vakavalle sairaudelle[12]. Yleisessä väestössä keuhkoahtaumatauti oli vaatinut yhteensä kolme miljoonaa ihmistä maailmanlaajuisesti vuoteen 2015 mennessä[13]. Antiretroviraalisen hoidon (ART) ja kotrimoksatsoliprofylaksin maailmanlaajuisen laajenemisen seurauksena keuhkoinfektioiden ilmaantuvuus on vähentynyt dramaattisesti, mutta keuhkoahtaumatauti on yhä enemmän tunnistettu, mutta huonosti ymmärretty komplikaatio[14]. Tähän mennessä tehty meta-analyysi COPD:n epidemiologiasta maailmanlaajuisessa HIV-tartunnan saaneessa väestössä osoittaa, että keuhkoahtaumatauti on 3–23 prosenttia[15].

Vuoteen 2015 asti keuhkoahtaumatautien esiintyvyys ja riskitekijät Ugandassa olivat suurelta osin määrittelemättömiä. COPD:n esiintyvyyden arvioitiin ensin Ugandan maaseutuväestössä 16 prosentiksi[11]. Tässä tutkimuksessa he eivät vertailleet esiintyvyyttä HIV-statuksen mukaan. Raportoitu esiintyvyys oli korkeampi verrattuna muihin alueen tutkimuksiin, ja se voi selittyä muilla tekijöillä. Siddharthan ja kollegat raportoivat 6,1 prosentin keuhkoahtaumatautia Nakaseken piirin Ugandan maaseutuyhteisöissä verrattuna 1,5 prosentin esiintyvyyteen Kampalan kaupunkiyhteisöissä[16]. Tässä tutkimuksessa korostettiin, että tärkein keuhkoahtaumatautiin liittyvä tekijä oli asuminen maaseudulla, eikä HIV näyttänyt olevan tärkeä COPD:n riskitekijä[5]. Tästä huolimatta tämä väestöpohjainen tutkimus ei tutkinut HIV-viruskuorman ja CD4-määrän vaikutuksia keuhkoahtaumatautien esiintyvyyteen ja keuhkojen toiminnan tuloksiin. Myös HIV-status oli itse ilmoittanut 8,1 prosentiksi. Samoin äskettäisessä Lounais-Ugandassa tehdyssä tutkimuksessa North ja kollegat eivät raportoineet merkittävästä yhteydestä HIV:n ja hengitystieoireiden tai keuhkojen toiminnan välillä. Kirjoittajat eivät kuitenkaan tutkineet HIV-spesifisten ominaisuuksien vaikutuksia keuhkoahtaumatautiin[17].

Havaitsimme 6,22 %:n keuhkoahtaumatautien esiintyvyyden ART-klinikoiden maaseutuympäristössä Nakaseken alueella Ugandassa, ja osallistujilla oli hyvin hallinnassa oleva HIV. Aiempi keuhkotuberkuloosi liittyi vahvasti keuhkoahtaumatautiin ja heikentyneeseen keuhkojen toimintaan. Kuten odotettiin, iän lisääntyminen liittyi heikentyneeseen keuhkojen toimintaan. HIV-spesifiset ominaisuudet, mukaan lukien ART-hoidon käyttö ja kesto, nykyinen ja lähtötason CD4+T-solumäärä ja viruskuorma, eivät kuitenkaan liittyneet keuhkoahtaumatautiin tai heikentyneeseen keuhkojen toimintaan sekä mukautetussa että mukautetussa analyysissä[5]. Diagnoosin saaneiden joukossa keuhkoahtaumatauti liittyi heikentyneeseen hengitysteiden terveydentilaan ja vaikeisiin hengitystieoireisiin. Tällä hetkellä ei ole täysin tiedossa, mikä aiheuttaa kroonisen keuhkotulehduksen PLWHA-populaatiossamme, jossa yli 90 % virologisesti tukahdutettuja, klusterin 4 (CD4) määrä > 500, 80 % tupakoimattomia, joilla on aiempaa parantunut keuhkotuberkuloosi eikä merkittävää yhteyttä. COPD:n ja biomassaaltistuksen välillä[5]. Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että hengitysteiden limakalvopinnoilla elävät bakteeriyhteisöt aiheuttavat kroonista tulehdusta[8].

Homeostaattisissa olosuhteissa hengitysteiden limakalvon pinnalla on kommensaalisia mikrobiyhteisöjä. Nämä organismit indusoivat kolonisaatioresistenssiä patobionteille useiden molekyylimekanismien kautta[18]. Tutkituimpia mekanismeja ovat mikrobi-mikrobi ja mikrobi-isäntävuorovaikutus. Kommensaalit lisääntyvät erittäin nopeasti ja elävät tiheästi miehitetyissä biologisissa markkinarakoissa, mikä rajoittaa ravinteiden saatavuutta näissä mikroelinympäristöissä. Tämä kilpailu luonnonvaroista, kuten aminohapoista, sokereista, sinkistä, raudasta ja hapesta, rajoittaa patobiontien kolonisaatiota[18]. Siten suurempi mikrobien monimuotoisuus merkitsee sitä, että enemmän mikrobeja hyödyntää monipuolisempaa metaboliittia, mikä asettaa haasteen kaikille patobionteille menestyä. Siksi kaikki muutokset, jotka johtavat mikrobien biomassan tai monimuotoisuuden häviämiseen, horjuttavat mikrobiekosysteemiä ja luovat mahdollisuuden lisääntyä kannoille, joilla on lisääntynyt kunto.

Jotkut kommensaalit estävät suoraan patobiontien kasvua erittymällä antimikrobisia peptidejä (AMP:ita). Sellaiset tekijät rajoittavat viereisten bakteerien kasvua lukuisilla mekanismeilla, kuten soluseinän synteesin estäminen, huokosten muodostuminen ja nukleaasiaktiivisuus. Muita ei-peptidimolekyylejä, jotka estävät viereisten bakteerien lisääntymistä, ovat lyhytketjuiset rasvahapot (SCFA:t), vetyperoksidi (H2O2) ja sekundaariset sappihapot. Lopuksi kommensaalit ovat käyttäneet laajasti bakteerien eritysjärjestelmiä (erityisesti tyypin VI eritysjärjestelmää) myrkyllisten aineiden kuljettamiseen ympäristöönsä tai jopa läheisiin eukaryootti- tai prokaryoottisoluihin[18].