Microbioma delle vie aeree e infiammazione mediata da Th17 nella BPCO tra gli individui con infezione da HIV in una coorte rurale ugandese (HLM)

Introduzione Il miglioramento dell'accesso alla terapia antiretrovirale (ART) tra le persone affette da HIV/AID (PLWHA) ha portato a una diminuzione della morbilità e della mortalità associate all'HIV[1]. Ciò è particolarmente vero nei paesi a basso e medio reddito (LMIC), che sopportano il carico maggiore di HIV[2]. La riduzione della mortalità ha notevolmente aumentato l'aspettativa di vita, con stime tra PLWHA che ora si avvicinano a quelle della popolazione generale[3]. Di conseguenza, c'è stata una maggiore attenzione tra i sopravvissuti al fardello emergente delle malattie non trasmissibili (NCD), come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO)[4]. L'Africa sub-sahariana, che ha la più alta densità di PLWHA, ha registrato un aumento drammatico della morbilità e della mortalità correlate alla BPCO, specialmente negli individui con storia di tubercolosi polmonare (PTB)[5]. Nelle cliniche ART rurali ugandesi, abbiamo riportato una prevalenza di BPCO del 6,22% con una storia di PTB come il più forte predittore di rischio di BPCO e ridotta funzionalità polmonare[5]. Attualmente, non è del tutto noto cosa guidi l'infiammazione polmonare cronica nella popolazione PLWHA ben controllata con ART.

Alla ricerca di risposte alla domanda di cui sopra, abbiamo esplorato il ruolo del microbioma alterato delle vie aeree nell'orchestrare l'infiammazione cronica delle vie aeree nel PLWHA. La nostra domanda di ricerca è stata supportata da un crescente corpo di conoscenze provenienti da studi sull'uomo e sugli animali che le alterazioni nelle comunità batteriche che abitano le vie aeree innescano risposte immunitarie e infiammazione cronica delle vie aeree[6-9]. In un recente studio che ha coinvolto 50 partecipanti HIV+BPCO+, 50 HIV+BPCO-, 50 HIV-BPCO- e 50 HIV-BPCO- nell'Uganda rurale, abbiamo studiato l'associazione tra il microbioma alterato delle vie aeree e la BPCO associata all'HIV (NCT040702). L'analisi preliminare del sequenziamento 16S su campioni di espettorato indotto ha rivelato che, nonostante differenze minori nella diversità batterica tra PLHWA con BPCO rispetto ai controlli, i microbi commensali appartenenti ai generi Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum e Oribacterium erano significativamente arricchiti in PLWHA con BPCO mentre i microbi appartenenti ai generi Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter e Filifactor erano depleti. I nostri risultati mostrano chiaramente che ci sono più batteri polmonari colpiti dall'HIV rispetto alla BPCO, suggerendo che i cambiamenti associati all'HIV nei generi microbici unici delle vie aeree potrebbero guidare la BPCO tra i PLWHA nella nostra coorte. Attualmente, ciò che rimane sconosciuto è come tali generi guidino l'infiammazione cronica delle vie aeree.

Studi su modelli murini riportano che Prevotella, Bacteroides e Veillonella svolgono un ruolo significativo nell'orchestrare l'infiammazione polmonare attraverso la segnalazione del recettore Toll like (TLR) 2/4 sui macrofagi alveolari, sulle cellule epiteliali e sulle cellule dendritiche che attivano le cellule dell'immunità adattativa[8]. Il risultato riportato è stato aberrante Th17 e ha ridotto le risposte immunitarie Treg utilizzando modelli di topi privi di germi e specifici patogeni [8]. Allo stesso modo, recenti prove in studi sull'uomo mostrano che i generi Prevotella e Veillonella sono associati a un profilo metabolico distinto, una maggiore espressione di citochine pro-infiammatorie caratterizzata da un'elevata risposta cellulare Th17[9]. È stato riportato che la comunicazione microbioma-cellula ospite è mediata da vescicole secrete della membrana esterna batterica (OMV), che sono correlate con la biomassa batterica (figura 2) [8]. Riteniamo che l'identificazione di generi batterici delle vie aeree che suscitano una risposta aberrante Th17 tra PLWHA con BPCO potrebbe essere un trampolino di lancio verso lo sviluppo di strategie volte a ripristinare l'equilibrio microbico attraverso l'eliminazione diretta dei patogeni da parte degli antibiotici o il ripristino dei commensali attraverso i probiotici per promuovere la resistenza alla colonizzazione sulle superfici delle mucose .

Sulla base di questo background, miriamo a indagare se il microbioma delle vie aeree alimenta l'infiammazione delle vie aeree mediata da Th17 nella BPCO tra gli individui con infezione da HIV. Ipotizziamo che: (1) il microbioma induca Th17 delle vie aeree e sopprima le risposte immunitarie Treg tra gli individui con infezione da HIV con BPCO; (2) la risposta Th17 guidata dai batteri promuove l'espressione di geni pro-infiammatori tra gli individui con BPCO e (3) il microbioma delle vie aeree media il suo effetto sulla risposta immunitaria Th17 attraverso la secrezione di vescicole della membrana esterna batterica (OMV).

In questo studio, noi: (1) stabiliremo una relazione tra il microbioma delle vie aeree ei fenotipi cellulari Th17/Treg tra gli individui con infezione da HIV con BPCO; (2) studiare la sovraregolazione Th17 mediata da batteri dei geni pro-infiammatori e pro-fibrotici tra gli individui HIV con BPCO e (3) esplorare il ruolo delle vescicole della membrana esterna batterica (OMV) nella mediazione delle risposte immunitarie Th17 guidate dal microbioma tra gli individui HIV.

Finalità e obiettivi dello studio

Scopo dello studio:

Studiare l'infiammazione mediata da Th17 guidata dal microbioma delle vie aeree nella BPCO tra gli individui con infezione da HIV

Obiettivi specifici

1. Stabilire una relazione tra microbioma delle vie aeree e fenotipi cellulari Th17/Treg tra individui con infezione da HIV con BPCO.
2. Per studiare la sovraregolazione Th17 mediata da batteri dei geni pro-infiammatori tra individui con infezione da HIV con BPCO
3. Indagare il ruolo delle vescicole batteriche della membrana esterna (OMV) nella mediazione delle risposte immunitarie Th17 guidate dalla disbiosi tra gli individui affetti da HIV.

Dichiarazione del problema La prevalenza della broncopneumopatia cronica ostruttiva è in aumento tra le persone affette da HIV/AIDS (PLWHA) poiché l'uso diffuso della terapia antiretrovirale (ART) ha aumentato la longevità in questa popolazione[5]. Non è ancora noto cosa guidi l'infiammazione cronica delle vie aeree nella PLWHA ben controllata con l'ART. Nonostante un'associazione ben consolidata tra BPCO e tubercolosi polmonare, non tiene pienamente conto dei casi segnalati di BPCO tra PLWHA[5]. Nella nostra popolazione di studio, né il fumo né l'esposizione alla biomassa sono stati segnalati come associati alla BPCO. È necessario esplorare i fattori che determinano l'infiammazione cronica delle vie aeree tra i PLWHA.

Motivazione Comunità microbiche specifiche in grado di suscitare intense risposte immunitarie potrebbero determinare l'esito dell'interazione ospite-microbioma, che può essere tolleranza immunitaria o infiammazione. Considerando che la caratterizzazione approfondita del microbioma delle vie aeree è stata eseguita negli studi sulla BPCO nell'uomo e nei modelli animali[5-8], sono state riportate solo associazioni e alcune firme specifiche sono state implicate come predittori della mortalità per BPCO[9]. Pochi modelli di microbioma basati su animali sono stati tradotti in modelli testabili di vie aeree umane o polmone per elaborare il ruolo meccanicistico del microbioma nella BPCO. Decifrare quali batteri inducono una forte risposta immunitaria in mezzo a una moltitudine di comunità microbiche rimane un'area di interesse significativa per il subfenotipo e l'identificazione dei tratti curabili. Riteniamo che il perseguimento di questa domanda di ricerca fornirà una base per l'immunofenotipizzazione delle comunità microbiche delle vie aeree come tollerogeniche (che inducono Treg) o infiammatorie (che inducono Th17), una scoperta scientifica potenzialmente seminale nell'immunobiologia respiratoria.

Revisione della letteratura A livello globale oltre l'80% dei decessi correlati a malattie non trasmissibili si verifica nei paesi a basso e medio reddito (LMIC)[10]. Tra le malattie non trasmissibili, la malattia polmonare cronica è la quarta principale causa di morte in tutto il mondo e si prevede che diventerà il terzo problema sanitario nell'Africa subsahariana entro il 2030[11]. La BPCO è un'ostruzione progressiva delle vie aeree che mette a rischio la vita e che inizialmente causa dispnea con lo sforzo e predispone a riacutizzazioni e malattie gravi[12]. Nella popolazione generale, la BPCO ha causato un totale di tre milioni di vittime a livello globale entro il 2015[13]. Come risultato dell'aumento globale della terapia antiretrovirale (ART) e della profilassi con cotrimossazolo, l'incidenza delle infezioni polmonari è diminuita drasticamente, ma la BPCO è una complicanza sempre più riconosciuta ma poco compresa[14]. Una meta-analisi sull'epidemiologia della BPCO nella popolazione globale con infezione da HIV fino ad oggi dimostra una prevalenza di BPCO compresa tra il 3 e il 23%[15].

Fino al 2015, la prevalenza e i fattori di rischio per la BPCO in Uganda erano stati in gran parte non caratterizzati. La prevalenza della BPCO è stata inizialmente stimata in una popolazione rurale in Uganda con una prevalenza del 16%[11]. In questo studio, non hanno confrontato la prevalenza in base allo stato dell'HIV. La prevalenza riportata era più alta rispetto ad altri studi nella regione e può essere spiegata da altri fattori. Siddharthan e colleghi hanno riportato una prevalenza del 6,1% di BPCO nelle comunità rurali ugandesi del distretto di Nakaseke rispetto a una prevalenza dell'1,5% nelle comunità urbane di Kampala[16]. In questo studio, è stato evidenziato che il fattore più importante associato alla BPCO era la residenza rurale e l'HIV non sembrava essere un importante fattore di rischio per la BPCO[5]. Tuttavia, questo studio basato sulla popolazione non ha esplorato gli effetti della carica virale dell'HIV e della conta dei CD4 sulla prevalenza della BPCO e sugli esiti della funzionalità polmonare. Inoltre, lo stato dell'HIV è stato autodichiarato all'8,1%. Allo stesso modo, in un recente studio nel sud-ovest dell'Uganda, North e colleghi non hanno riportato alcuna associazione significativa tra HIV e sintomi respiratori o funzionalità polmonare. Tuttavia, gli autori non hanno esplorato gli effetti delle caratteristiche specifiche dell'HIV sulla BPCO[17].

In un contesto rurale di cliniche ART nel distretto di Nakaseke in Uganda, con partecipanti con HIV ben controllato, abbiamo riscontrato una prevalenza di BPCO del 6,22%[5]. La storia della tubercolosi polmonare era fortemente associata alla BPCO e alla ridotta funzionalità polmonare. Come previsto, l'aumento dell'età è stato associato a una ridotta funzionalità polmonare. Tuttavia, le caratteristiche specifiche dell'HIV, tra cui l'uso e la durata della ART, la conta delle cellule T CD4+ attuali e al basale e la carica virale non erano associate alla BPCO o alla ridotta funzionalità polmonare sia in un'analisi aggiustata che in quella aggiustata[5]. Tra quelli diagnosticati, la BPCO era associata a ridotto stato di salute respiratoria e gravi sintomi respiratori. Attualmente, non è del tutto noto ciò che guida l'infiammazione polmonare cronica nella nostra popolazione PLWHA con oltre il 90% di soppressione virologica, conteggio del cluster di differenziazione 4 (CD4)> 500, 80% non fumatore, con storia di cura dalla tubercolosi polmonare e nessuna associazione significativa tra BPCO ed esposizione alla biomassa[5]. L'evidenza di studi recenti suggerisce che le comunità batteriche che abitano le superfici mucose delle vie aeree guidano l'infiammazione cronica[8].

In condizioni omeostatiche, la superficie della mucosa delle vie aeree è abitata da comunità microbiche commensali. Questi organismi inducono resistenza alla colonizzazione contro i patogeni attraverso diversi meccanismi molecolari[18]. I meccanismi più studiati riguardano le interazioni microbo-microbo e microbo-ospite. I commensali si replicano molto rapidamente e sopravvivono in nicchie biologiche densamente occupate, limitando la disponibilità di nutrienti all'interno di questi microhabitat. Questa competizione per risorse come aminoacidi, zuccheri, zinco, ferro e ossigeno limita la colonizzazione da parte dei patogeni[18]. Pertanto, una maggiore diversità microbica implica più microbi che utilizzano un pool di metaboliti più versatile, ponendo una sfida per la crescita di qualsiasi patobionte. Pertanto, qualsiasi cambiamento che comporti la perdita di biomassa microbica o diversità destabilizza l'ecosistema microbico, creando un'opportunità per la proliferazione di ceppi con maggiore idoneità.

Alcuni commensali inibiscono direttamente la crescita dei patogeni attraverso la secrezione di peptidi antimicrobici (AMP). Tali fattori frenano la crescita dei batteri adiacenti mediante una pletora di meccanismi come l'inibizione della sintesi della parete cellulare, la formazione di pori e l'attività della nucleasi. Altre molecole non peptidiche che inibiscono la proliferazione dei batteri vicini includono gli acidi grassi a catena corta (SCFA), il perossido di idrogeno (H2O2) e gli acidi biliari secondari. Infine, i sistemi di secrezione batterica (in particolare il sistema di secrezione di tipo VI) sono stati ampiamente utilizzati dai commensali per trasportare sostanze tossiche nel loro ambiente o anche nelle vicinanze di cellule eucariotiche o procariotiche[18].