Luftveismikrobiom og Th17-mediert betennelse i KOLS blant HIV-infiserte individer i en landlig ugandisk kohort (HLM)

Innledning Forbedringen i tilgang til antiretroviral terapi (ART) blant mennesker som lever med HIV/AIDs (PLWHA) har resultert i en reduksjon i HIV-assosiert sykelighet og dødelighet[1]. Dette gjelder spesielt i lav- og mellominntektsland (LMICs), som bærer den største byrden av HIV[2]. Reduksjonen i dødelighet har økt forventet levealder betydelig, med estimater blant PLWHA som nå nærmer seg det for den generelle befolkningen[3]. Følgelig har det vært økt oppmerksomhet blant overlevende til den nye byrden av ikke-smittsomme sykdommer (NCD), slik som kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS)[4]. Afrika sør for Sahara, som har den høyeste tettheten av PLWHA, har opplevd dramatiske økninger i KOLS-relatert sykelighet og dødelighet, spesielt hos individer med tidligere lungetuberkulose (PTB)[5]. I landlige ugandiske ART-klinikker rapporterte vi en KOLS-prevalens på 6,22 % med historie med PTB som den sterkeste prediktoren for KOLS-risiko og redusert lungefunksjon[5]. Foreløpig er det ikke helt kjent hva som driver kronisk lungebetennelse i PLWHA-populasjonen som er godt kontrollert på ART.

I søken etter svar på spørsmålet ovenfor har vi undersøkt rollen til endret luftveismikrobiom i orkestrering av kronisk luftveisbetennelse i PLWHA. Forskningsspørsmålet vårt har blitt støttet av en voksende mengde kunnskap fra studier på mennesker og dyr om at endringer i bakteriesamfunnene som bor i luftveiene utløser immunresponser og kronisk luftveisbetennelse[6-9]. I en fersk studie som involverte 50 HIV+KOLS+, 50 HIV+KOLS-, 50 HIV-KOLS- og 50 HIV-KOLS-deltakere på landsbygda i Uganda, undersøkte vi sammenhengen mellom endret luftveismikrobiom og HIV-assosiert KOLS (NCT040702). Foreløpig analyse fra 16S-sekvensering på induserte sputumprøver avslørte at, til tross for mindre forskjeller i bakteriediversitet blant PLHWA med KOLS sammenlignet med kontroller, kommensale mikrober som tilhører slektene Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum i betydelige Oribacterium og PLHA. med KOLS mens mikrober tilhørende slektene Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter og Filifactor var utarmet. Resultatene våre viser tydelig at det er flere lungebakterier påvirket av HIV enn KOLS, noe som tyder på at HIV-assosierte endringer i unike luftveismikrobielle slekter kan være drivkraften for KOLS blant PLWHA i vår kohort. Foreløpig er det ukjente hvordan slike slekter driver kronisk luftveisbetennelse.

Studier fra musemodeller rapporterer at Prevotella, Bacteroides og Veillonella spiller en betydelig rolle i å orkestrere lungebetennelse gjennom Toll like receptor (TLR) 2/4-signalering på alveolære makrofager, epitelceller og dendrittiske celler som primer cellene i den adaptive immuniteten [8]. Det rapporterte resultatet har vært avvikende Th17 og redusert Treg-immunrespons ved bruk av bakteriefrie og spesifikke patogenfrie musemodeller [8]. Tilsvarende viser nyere bevis i menneskelige studier at Prevotella- og Veillonella-slekter er assosiert med en distinkt metabolsk profil, forbedret pro-inflammatorisk cytokinuttrykk preget av forhøyet Th17 cellulær respons [9]. Mikrobiom-vertscellekommunikasjon er rapportert å være mediert av utskilte bakterielle ytre membranvesikler (OMV), som korrelerer med bakteriell biomasse (figur 2) [8]. Vi tror at identifisering av luftveisbakteriegenera som fremkaller avvikende Th17-respons blant PLWHA med KOLS kan være et springbrett mot å utvikle strategier som tar sikte på å gjenopprette mikrobiell balanse enten gjennom direkte eliminering av patobionter ved hjelp av antibiotika eller gjenoppretting av kommensaler gjennom probiotika for å fremme koloniseringsresistens ved slimhinneoverflater. .

Basert på denne bakgrunnen tar vi sikte på å undersøke om luftveismikrobiom gir drivstoff til Th17-mediert luftveisbetennelse ved KOLS blant HIV-infiserte individer. Vi antar at: (1) mikrobiom induserer luftveiene Th17 og undertrykker Treg-immunresponser blant HIV-infiserte individer med KOLS; (2) bakteriedrevet Th17-respons fremmer ekspresjon av pro-inflammatoriske gener blant individer med KOLS og (3) luftveismikrobiom medierer sin effekt på Th17-immunrespons gjennom sekresjon av bakterielle ytre membranvesikler (OMV).

I denne studien vil vi: (1) etablere en sammenheng mellom luftveismikrobiom og Th17/Treg cellulære fenotyper blant HIV-infiserte individer med KOLS; (2) undersøke bakteriell-mediert Th17-oppregulering av pro-inflammatoriske og pro-fibrotiske gener blant HIV-individer med KOLS og (3) utforske rollen til bakterielle ytre membranvesikler (OMV-er) i å formidle mikrobiomdrevne Th17-immunresponser blant HIV-individer.

Studiemål og mål

Studiemål:

For å undersøke luftveismikrobiom-drevet Th17-mediert betennelse i KOLS blant HIV-infiserte individer

Spesifikke mål

1. Å etablere et forhold mellom luftveismikrobiom og Th17/Treg cellulære fenotyper blant HIV-infiserte individer med KOLS.
2. For å undersøke bakteriell mediert Th17-oppregulering av pro-inflammatoriske gener blant HIV-infiserte individer med KOLS
3. For å undersøke rollen til bakterielle ytre membranvesikler (OMV-er) i mediering av dysbiosedrevne Th17-immunresponser blant HIV-individer.

Problemstilling Kronisk obstruktiv lungesykdom øker i prevalens blant personer som lever med HIV/AIDS (PLWHA) ettersom utbredt bruk av antiretroviral terapi (ART) har økt levetiden i denne populasjonen[5]. Det er fortsatt ukjent hva som driver kronisk luftveisbetennelse i PLWHA godt kontrollert på ART. Til tross for en veletablert sammenheng mellom KOLS og lungetuberkulose, står det ikke fullt ut for de rapporterte tilfellene av KOLS blant PLWHA[5]. I vår studiepopulasjon har verken røyking eller biomasseeksponering blitt rapportert å være assosiert med KOLS. Det er behov for å utforske faktorer som driver kronisk luftveisbetennelse blant PLWHA.

Begrunnelse Spesifikke mikrobielle samfunn som er i stand til å fremkalle intense immunresponser, kan bestemme utfallet av vert-mikrobiell interaksjon, enten immuntoleranse eller betennelse. Mens dybdekarakterisering av luftveismikrobiom har blitt utført i KOLS-humanstudier og dyremodeller [5-8], har bare assosiasjoner blitt rapportert og noen få spesifikke signaturer har blitt implisert som prediktorer for KOLS-dødelighet [9]. Få dyrebaserte mikrobiommodeller har blitt oversatt til testbare menneskelige luftveier eller lungebaserte modeller for å utdype den mekanistiske rollen til mikrobiom i KOLS. Å dechiffrere hvilke bakterier som induserer en sterk immunrespons blant en mengde mikrobielle samfunn er fortsatt et betydelig interesseområde for sub-fenotype og identifisere behandlingsbare egenskaper. Vi tror at forfølgelsen av dette forskningsspørsmålet vil gi grunnlag for immunfenotyping av luftveismikrobielle samfunn som tolerogene (Treg-induserende) eller inflammatoriske (Th17-induserende), en potensielt banebrytende vitenskapelig oppdagelse innen respiratorisk immunobiologi.

Litteraturgjennomgang Globalt skjer mer enn 80 % av NCD-relaterte dødsfall i lav- og mellominntektsland (LMIC)[10]. Blant NCDer er kronisk lungesykdom den fjerde ledende dødsårsaken på verdensbasis og er spådd å være det tredje største helseproblemet i Afrika sør for Sahara innen 2030[11]. KOLS er en progressiv livstruende luftstrømsobstruksjon som forårsaker pustevansker i starten ved anstrengelse og disponerer for eksaserbasjoner og alvorlig sykdom[12]. I den generelle befolkningen hadde KOLS krevd totalt tre millioner liv globalt innen 2015[13]. Som et resultat av den globale oppskaleringen av antiretroviral terapi (ART) og kotrimoksazolprofylakse, har forekomsten av lungeinfeksjoner gått dramatisk ned, men KOLS er en stadig mer anerkjent, men dårlig forstått komplikasjon[14]. En metaanalyse av epidemiologien til KOLS i den globale HIV-infiserte befolkningen til dags dato viser KOLS-prevalens mellom 3 og 23 %[15].

Frem til 2015 hadde prevalensen og risikofaktorene for KOLS i Uganda stort sett vært ukarakterisert. Prevalensen av KOLS ble først estimert i en landlig befolkning i Uganda til 16 % prevalens[11]. I denne studien sammenlignet de ikke prevalens etter HIV-status. Den rapporterte prevalensen var høyere sammenlignet med andre studier i regionen og kan forklares av andre faktorer. Siddharthan og kolleger rapporterte en 6,1 % forekomst av KOLS i rurale ugandiske samfunn i Nakaseke-distriktet sammenlignet med en prevalens på 1,5 % i urbane samfunn i Kampala[16]. I denne studien ble det fremhevet at den viktigste faktoren knyttet til KOLS var bosted på landet, og HIV så ikke ut til å være en viktig risikofaktor for KOLS[5]. Ikke desto mindre undersøkte ikke denne populasjonsbaserte studien effekten av HIV-viral belastning og CD4-telling på KOLS-prevalens og lungefunksjonsutfall. HIV-status ble også selvrapportert på 8,1 %. Tilsvarende rapporterte ikke North og kolleger i en nylig studie i Sørvest-Uganda noen signifikant sammenheng mellom HIV og luftveissymptomer eller lungefunksjon. Forfatterne undersøkte imidlertid ikke effekten av HIV-spesifikke egenskaper på KOLS [17].

I landlige omgivelser med ART-klinikker i Nakaseke-distriktet i Uganda, med deltakere som hadde godt kontrollert HIV, fant vi en KOLS-prevalens på 6,22 %[5]. Anamnese med lungetuberkulose var sterkt assosiert med KOLS og redusert lungefunksjon. Som forventet var økende alder assosiert med redusert lungefunksjon. Imidlertid var HIV-spesifikke karakteristika inkludert bruk og varighet av ART, nåværende og baseline CD4+T-celletall og viral belastning ikke assosiert med KOLS eller redusert lungefunksjon både i en justert og justert analyse[5]. Blant de som ble diagnostisert var KOLS assosiert med redusert respiratorisk helsestatus og alvorlige luftveissymptomer. Foreløpig er det ikke helt kjent hva som driver kronisk lungebetennelse i vår PLWHA-populasjon med over 90 % virologisk undertrykt, cluster of differentiation 4 (CD4) teller >500, 80 % ikke-røyker, med historie med helbredelse fra lungetuberkulose og ingen signifikant assosiasjon mellom kols og biomasseeksponering[5]. Bevis fra nyere studier tyder på at bakteriesamfunn som bor på slimhinnene i luftveiene driver kronisk betennelse[8].

Under homeostatiske forhold er slimhinneoverflaten i luftveiene bebodd av kommensale mikrobielle samfunn. Disse organismene induserer koloniseringsresistens mot patobionter gjennom flere molekylære mekanismer [18]. De mest studerte mekanismene involverer mikrobe-mikrobe og mikrobe-vert-interaksjoner. Kommensaler replikeres veldig raskt og lever i tett okkuperte biologiske nisjer, noe som begrenser tilgjengeligheten av næringsstoffer i disse mikrohabitatene. Denne konkurransen om ressurser som aminosyrer, sukker, sink, jern og oksygen begrenser kolonisering av patobionter[18]. Et høyere mikrobielt mangfold innebærer således at flere mikrober bruker en mer allsidig pool av metabolitter, noe som utgjør en utfordring for alle patobionter å trives. Derfor destabiliserer enhver endring som resulterer i tap av mikrobiell biomasse eller mangfold det mikrobielle økosystemet, og skaper en mulighet for stammer med økt egnethet til å spre seg.

Noen kommensaler hemmer direkte vekst av patobionter gjennom utskillelse av antimikrobielle peptider (AMP). Slike faktorer begrenser veksten av tilstøtende bakterier ved en mengde mekanismer som hemming av celleveggsyntese, dannelse av porer og nukleaseaktivitet. Andre ikke-peptidmolekyler som hemmer spredning av nabobakterier inkluderer kortkjedede fettsyrer (SCFA), hydrogenperoksid (H2O2) og sekundære gallesyrer. Til slutt har bakterielle sekresjonssystemer (spesielt Type VI sekresjonssystem) blitt mye brukt av kommensaler for å transportere giftige stoffer inn i miljøet eller til og med nærliggende eukaryote eller prokaryote celler [18].