Luchtwegmicrobioom en Th17-gemedieerde ontsteking bij COPD bij hiv-geïnfecteerde personen in een landelijk Oegandees cohort (HLM)

Inleiding De verbetering van de toegang tot antiretrovirale therapie (ART) onder mensen die leven met hiv/aids (PLWHA) heeft geleid tot een afname van hiv-geassocieerde morbiditeit en mortaliteit[1]. Dit geldt met name in lage- en middeninkomenslanden (LMIC's), die de grootste hiv-last dragen[2]. De vermindering van het sterftecijfer heeft de levensverwachting aanzienlijk verhoogd, waarbij schattingen onder PLWHA nu die van de algemene bevolking benaderen[3]. Bijgevolg is er onder overlevenden meer aandacht voor de opkomende last van niet-overdraagbare ziekten (NCD), zoals chronische obstructieve longziekte (COPD)[4]. Sub-Sahara Afrika, dat de hoogste dichtheid van PLWHA heeft, heeft een dramatische toename van COPD-gerelateerde morbiditeit en mortaliteit ervaren, vooral bij personen met een voorgeschiedenis van longtuberculose (PTB) [5]. In landelijke Oegandese ART-klinieken rapporteerden we een COPD-prevalentie van 6,22%, waarbij de voorgeschiedenis van PTB de sterkste voorspeller was van COPD-risico en verminderde longfunctie[5]. Momenteel is het niet volledig bekend wat de oorzaak is van chronische longontsteking in de PLWHA-populatie die goed onder controle is met ART.

Op zoek naar antwoorden op de bovenstaande vraag hebben we de rol onderzocht van een veranderd luchtwegmicrobioom bij het orkestreren van chronische luchtwegontsteking bij PLWHA. Onze onderzoeksvraag wordt ondersteund door een groeiende hoeveelheid kennis uit studies bij mens en dier dat veranderingen in de bacteriegemeenschappen die de luchtwegen bewonen, immuunresponsen en chronische luchtwegontsteking veroorzaken [6-9]. In een recente studie met 50 HIV+COPD+, 50 HIV+COPD-, 50 HIV-COPD- en 50 HIV-COPD-deelnemers op het platteland van Oeganda, onderzochten we het verband tussen een veranderd luchtwegmicrobioom en HIV-geassocieerde COPD (NCT040702). Voorlopige analyse van 16S-sequencing op geïnduceerde sputummonsters onthulde dat, ondanks kleine verschillen in bacteriële diversiteit tussen PLHWA met COPD in vergelijking met controles, commensale microben die behoren tot de geslachten Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum en Oribacterium significant waren verrijkt in PLWHA met COPD terwijl microben die behoren tot de genera Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter en Filifactor waren uitgeput. Onze resultaten laten duidelijk zien dat er meer longbacteriën zijn die getroffen zijn door hiv dan door COPD, wat suggereert dat hiv-geassocieerde veranderingen in unieke microbiële geslachten in de luchtwegen COPD kunnen veroorzaken bij PLWHA in ons cohort. Wat momenteel onbekend blijft, is hoe dergelijke geslachten chronische luchtwegontsteking veroorzaken.

Studies van muismodellen melden dat Prevotella, Bacteroides en Veillonella een belangrijke rol spelen bij het orkestreren van longontsteking door middel van Toll like receptor (TLR) 2/4 signalering op alveolaire macrofagen, epitheelcellen en dendritische cellen die cellen van de adaptieve immuniteit stimuleren [8]. Het gerapporteerde resultaat was een afwijkende Th17 en verminderde Treg-immuunresponsen met behulp van kiemvrije en specifieke pathogeenvrije muizenmodellen [8]. Evenzo toont recent bewijs in menselijke studies aan dat Prevotella- en Veillonella-geslachten geassocieerd zijn met een duidelijk metabool profiel, verbeterde pro-inflammatoire cytokine-expressie gekenmerkt door verhoogde Th17 cellulaire respons [9]. Er is gerapporteerd dat communicatie tussen microbioom en gastheercel wordt gemedieerd door uitgescheiden bacteriële buitenmembraanblaasjes (OMV's), die correleren met bacteriële biomassa (figuur 2) [8]. Wij zijn van mening dat het identificeren van bacteriële geslachten in de luchtwegen die een afwijkende Th17-respons opwekken bij PLWHA met COPD een opstap zou kunnen zijn naar het ontwikkelen van strategieën gericht op het herstellen van het microbiële evenwicht, hetzij door directe eliminatie van pathobionten door antibiotica, hetzij door herstel van commensalen door probiotica om kolonisatieresistentie op slijmvliesoppervlakken te bevorderen .

Op basis van deze achtergrond willen we onderzoeken of het microbioom van de luchtwegen Th17-gemedieerde luchtwegontsteking voedt bij COPD bij HIV-geïnfecteerde individuen. Onze hypothese is dat: (1) het microbioom Th17 in de luchtwegen induceert en Treg-immuunresponsen onderdrukt bij HIV-geïnfecteerde personen met COPD; (2) door bacteriën aangestuurde Th17-respons bevordert de expressie van pro-inflammatoire genen bij personen met COPD en (3) het luchtwegmicrobioom medieert het effect ervan op de Th17-immuunrespons door uitscheiding van bacteriële buitenmembraanblaasjes (OMV's).

In deze studie zullen we: (1) een verband leggen tussen het microbioom van de luchtwegen en Th17/Treg cellulaire fenotypes bij HIV-geïnfecteerde personen met COPD; (2) onderzoek naar door bacteriën gemedieerde Th17-upregulatie van pro-inflammatoire en pro-fibrotische genen bij HIV-individuen met COPD en (3) onderzoek naar de rol van bacteriële buitenmembraanblaasjes (OMV's) bij het mediëren van door microbioom aangedreven Th17-immuunresponsen bij HIV-individuen.

Studiedoelen en doelstellingen

Studiedoel:

Om luchtwegmicrobioom-aangedreven Th17-gemedieerde ontsteking bij COPD bij HIV-geïnfecteerde personen te onderzoeken

Specifieke doelen

1. Een verband leggen tussen het luchtwegmicrobioom en Th17/Treg cellulaire fenotypes bij HIV-geïnfecteerde personen met COPD.
2. Om bacterieel gemedieerde Th17-upregulatie van pro-inflammatoire genen te onderzoeken bij HIV-geïnfecteerde individuen met COPD
3. Onderzoek naar de rol van bacteriële buitenmembraanblaasjes (OMV's) bij het mediëren van door dysbiose aangedreven Th17-immuunresponsen bij hiv-individuen.

Probleemstelling Chronische obstructieve longziekte komt steeds vaker voor onder mensen die leven met hiv/aids (PLWHA), aangezien het wijdverbreide gebruik van antiretrovirale therapie (ART) de levensduur in deze populatie heeft verlengd[5]. Het is nog onbekend wat de oorzaak is van chronische luchtwegontsteking bij PLWHA die goed onder controle is met ART. Ondanks een vaststaand verband tussen COPD en longtuberculose, verklaart dit niet volledig de gerapporteerde gevallen van COPD bij PLWHA[5]. In onze onderzoekspopulatie is niet gemeld dat roken of blootstelling aan biomassa verband houden met COPD. Er is behoefte aan onderzoek naar factoren die chronische luchtwegontsteking bij PLWHA aansturen.

Motivering Specifieke microbiële gemeenschappen die in staat zijn intense immuunresponsen op te wekken, zouden de uitkomst van de interactie tussen gastheer en microbioom kunnen bepalen, namelijk immuuntolerantie of ontsteking. Terwijl diepgaande karakterisering van het microbioom van de luchtwegen is uitgevoerd in COPD-studies bij mensen en diermodellen [5-8], zijn alleen associaties gerapporteerd en zijn enkele specifieke handtekeningen geïmpliceerd als voorspellers van COPD-sterfte [9]. Er zijn maar weinig op dieren gebaseerde microbioommodellen vertaald in testbare menselijke luchtweg- of longmodellen om de mechanistische rol van het microbioom bij COPD uit te werken. Het ontcijferen van welke bacteriën een sterke immuunrespons induceren te midden van een groot aantal microbiële gemeenschappen blijft een belangrijk interessegebied voor het subfenotype en het identificeren van behandelbare eigenschappen. Wij zijn van mening dat het nastreven van deze onderzoeksvraag een basis zal vormen voor immunofenotypering van microbiële gemeenschappen in de luchtwegen als tolerogeen (Treg-inducerend) of inflammatoir (Th17-inducerend), een mogelijk baanbrekende wetenschappelijke ontdekking in respiratoire immunobiologie.

Literatuuronderzoek Wereldwijd vindt meer dan 80% van de NCD-gerelateerde sterfgevallen plaats in lage- en middeninkomenslanden (LMIC)[10]. Van de niet-overdraagbare ziekten is chronische longziekte wereldwijd de vierde belangrijkste doodsoorzaak en zal naar verwachting in 2030 het op twee na grootste gezondheidsprobleem zijn in Sub-Sahara Afrika[11]. COPD is een progressieve, levensbedreigende obstructie van de luchtstroom die aanvankelijk kortademigheid veroorzaakt bij inspanning en vatbaar maakt voor exacerbaties en ernstige ziekte[12]. In de algemene bevolking had COPD in 2015 wereldwijd in totaal drie miljoen levens geëist[13]. Als gevolg van de wereldwijde opschaling van antiretrovirale therapie (ART) en cotrimoxazolprofylaxe is de incidentie van longinfecties dramatisch afgenomen, maar COPD is een steeds meer erkende maar slecht begrepen complicatie [14]. Een meta-analyse van de epidemiologie van COPD in de wereldwijde HIV-geïnfecteerde bevolking laat tot nu toe een COPD-prevalentie tussen 3 en 23% zien[15].

Tot 2015 waren de prevalentie en risicofactoren voor COPD in Oeganda grotendeels ongekarakteriseerd. De prevalentie van COPD werd voor het eerst geschat op een prevalentie van 16% in een plattelandsbevolking in Oeganda[11]. In deze studie vergeleken ze de prevalentie niet naar hiv-status. De gerapporteerde prevalentie was hoger in vergelijking met andere onderzoeken in de regio en kan worden verklaard door andere factoren. Siddharthan en collega's rapporteerden een prevalentie van COPD van 6,1% in Oegandese plattelandsgemeenschappen in het district Nakaseke vergeleken met een prevalentie van 1,5% in stedelijke gemeenschappen in Kampala[16]. In deze studie werd benadrukt dat de belangrijkste factor in verband met COPD het wonen op het platteland was en dat HIV geen belangrijke risicofactor voor COPD leek te zijn[5]. Desalniettemin onderzocht dit populatieonderzoek niet de effecten van hiv-virale belasting en CD4-telling op COPD-prevalentie en longfunctie-uitkomsten. Ook werd de hiv-status zelf gerapporteerd met 8,1%. Evenzo rapporteerden North en collega's in een recent onderzoek in Zuidwest-Oeganda geen significant verband tussen hiv en luchtwegsymptomen of longfunctie. De auteurs onderzochten echter niet de effecten van HIV-specifieke kenmerken op COPD[17].

In een landelijke omgeving van ART-klinieken in het district Nakaseke in Oeganda, met deelnemers met goed onder controle gehouden hiv, vonden we een COPD-prevalentie van 6,22%[5]. Geschiedenis van longtuberculose was sterk geassocieerd met COPD en verminderde longfunctie. Zoals verwacht ging toenemende leeftijd gepaard met een verminderde longfunctie. Hiv-specifieke kenmerken, waaronder gebruik en duur van ART, huidige en baseline CD4+T-celaantallen en virale belasting, waren echter niet geassocieerd met COPD of verminderde longfunctie, zowel in een aangepaste als in een aangepaste analyse[5]. Onder degenen die werden gediagnosticeerd, werd COPD in verband gebracht met een verminderde gezondheidstoestand van de luchtwegen en ernstige luchtwegsymptomen. Momenteel is het niet volledig bekend wat chronische longontsteking veroorzaakt in onze PLWHA-populatie met meer dan 90% virologisch onderdrukt, cluster van differentiatie 4 (CD4) aantal> 500, 80% niet-roker, met voorgeschiedenis van genezing van longtuberculose en geen significant verband tussen COPD en blootstelling aan biomassa[5]. Bewijs uit recente studies suggereert dat bacteriegemeenschappen die slijmvliesoppervlakken van luchtwegen bewonen, chronische ontsteking veroorzaken [8].

Onder homeostatische omstandigheden wordt het slijmvliesoppervlak van de luchtwegen bewoond door commensale microbiële gemeenschappen. Deze organismen induceren kolonisatieresistentie tegen pathobionten via verschillende moleculaire mechanismen [18]. De meest bestudeerde mechanismen zijn microbe-microbe en microbe-gastheer interacties. Commensalen vermenigvuldigen zich zeer snel en blijven bestaan ​​in dichtbevolkte biologische niches, waardoor de beschikbaarheid van voedingsstoffen binnen deze microhabitats wordt beperkt. Deze competitie om hulpbronnen zoals aminozuren, suikers, zink, ijzer en zuurstof beperkt de kolonisatie door pathobionten [18]. Een hogere microbiële diversiteit impliceert dus dat meer microben een meer veelzijdige pool van metabolieten gebruiken, wat een uitdaging vormt voor alle pathobionten om te gedijen. Daarom destabiliseren veranderingen die resulteren in verlies van microbiële biomassa of diversiteit het microbiële ecosysteem, waardoor stammen met een verhoogde conditie de kans krijgen om zich te vermenigvuldigen.

Sommige commensalen remmen de groei van pathobionten direct door secretie van antimicrobiële peptiden (AMP's). Dergelijke factoren beperken de groei van aangrenzende bacteriën door een overvloed aan mechanismen zoals remming van celwandsynthese, vorming van poriën en nuclease-activiteit. Andere niet-peptidemoleculen die de proliferatie van naburige bacteriën remmen, zijn korteketenvetzuren (SCFA's), waterstofperoxide (H2O2) en secundaire galzuren. Ten slotte worden bacteriële secretiesystemen (vooral type VI-secretiesystemen) op grote schaal gebruikt door commensalen om giftige stoffen naar hun omgeving of zelfs nabijgelegen eukaryote of prokaryotische cellen te transporteren [18].