Mikrobiom dróg oddechowych i zapalenie za pośrednictwem Th17 w POChP wśród osób zakażonych wirusem HIV w wiejskiej kohorcie ugandyjskiej (HLM)

Wstęp Poprawa dostępu do terapii antyretrowirusowej (ART) wśród osób żyjących z HIV/AIDS (PLWHA) spowodowała spadek zachorowalności i śmiertelności związanej z HIV[1]. Jest to szczególnie prawdziwe w krajach o niskich i średnich dochodach (LMIC), które ponoszą największe obciążenie HIV[2]. Zmniejszenie śmiertelności znacznie wydłużyło oczekiwaną długość życia, a szacunki wśród PLWHA zbliżają się obecnie do szacunków populacji ogólnej[3]. W związku z tym wśród osób, które przeżyły, zwrócono większą uwagę na pojawiające się obciążenie chorobami niezakaźnymi (NCD), takimi jak przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP)[4]. Afryka Subsaharyjska, która ma największe zagęszczenie PLWHA, doświadczyła dramatycznego wzrostu zachorowalności i śmiertelności związanej z POChP, zwłaszcza wśród osób z gruźlicą płuc (PTB) w wywiadzie [5]. W wiejskich klinikach ART w Ugandzie zgłoszono częstość występowania POChP na poziomie 6,22%, przy czym PTB w wywiadzie był najsilniejszym predyktorem ryzyka POChP i pogorszenia czynności płuc [5]. Obecnie nie do końca wiadomo, co napędza przewlekłe zapalenie płuc w populacji PLWHA dobrze kontrolowanej za pomocą ART.

W poszukiwaniu odpowiedzi na powyższe pytanie badaliśmy rolę zmienionego mikrobiomu dróg oddechowych w organizowaniu przewlekłego zapalenia dróg oddechowych w PLWHA. Nasze pytanie badawcze zostało poparte rosnącym zasobem wiedzy z badań na ludziach i zwierzętach, że zmiany w zbiorowiskach bakterii zamieszkujących drogi oddechowe wywołują reakcje immunologiczne i chroniczne zapalenie dróg oddechowych [6-9]. W niedawnym badaniu z udziałem 50 osób z HIV+POChP+, 50 HIV+POChP-, 50 HIV-POChP- i 50 HIV-POChP- w wiejskich Ugandzie, zbadaliśmy związek między zmienionym mikrobiomem dróg oddechowych a POChP związaną z HIV (NCT040702). Wstępna analiza z sekwencjonowania 16S na próbkach indukowanej plwociny wykazała, że ​​pomimo niewielkich różnic w różnorodności bakteryjnej wśród PLHWA z POChP w porównaniu z grupą kontrolną, drobnoustroje komensalne należące do rodzajów Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum i Oribacterium były znacząco wzbogacone w PLWHA z POChP, podczas gdy drobnoustroje należące do rodzajów Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter i Filifactor zostały wyczerpane. Nasze wyniki wyraźnie pokazują, że HIV ma wpływ na więcej bakterii płucnych niż POChP, co sugeruje, że zmiany związane z HIV w unikalnych rodzajach drobnoustrojów dróg oddechowych mogą napędzać POChP wśród PLWHA w naszej kohorcie. Obecnie nie wiadomo, w jaki sposób takie rodzaje powodują przewlekłe zapalenie dróg oddechowych.

Badania na modelach mysich wskazują, że Prevotella, Bacteroides i Veillonella odgrywają znaczącą rolę w organizowaniu zapalenia płuc poprzez sygnalizację receptora Toll-podobnego (TLR) 2/4 na makrofagach pęcherzyków płucnych, komórkach nabłonkowych i komórkach dendrytycznych, które pobudzają komórki odporności nabytej [8]. Zgłoszonym wynikiem była nienormalna odpowiedź immunologiczna Th17 i zmniejszona Treg przy użyciu modeli myszy wolnych od zarazków i swoistych patogenów [8]. Podobnie, ostatnie dowody w badaniach na ludziach pokazują, że rodzaje Prevotella i Veillonella są związane z odrębnym profilem metabolicznym, zwiększoną ekspresją cytokin prozapalnych charakteryzującą się podwyższoną odpowiedzią komórkową Th17 [9]. Doniesiono, że w komunikacji między mikrobiomem a komórką gospodarza pośredniczą wydzielane bakteryjne pęcherzyki błony zewnętrznej (OMV), które korelują z biomasą bakteryjną (ryc. 2) [8]. Uważamy, że identyfikacja rodzajów bakterii dróg oddechowych, które wywołują nieprawidłową odpowiedź Th17 wśród PLWHA z POChP, może być krokiem milowym w kierunku opracowania strategii mających na celu przywrócenie równowagi mikrobiologicznej poprzez bezpośrednią eliminację patogenów przez antybiotyki lub przywrócenie komensali przez probiotyki w celu promowania odporności na kolonizację na powierzchni błony śluzowej .

Na podstawie tego tła naszym celem jest zbadanie, czy mikrobiom dróg oddechowych napędza zapalenie dróg oddechowych, w którym pośredniczy Th17 w POChP wśród osób zakażonych wirusem HIV. Stawiamy hipotezę, że: (1) mikrobiom indukuje drogi oddechowe Th17 i hamuje odpowiedzi immunologiczne Treg u osób zakażonych wirusem HIV z POChP; (2) bakteryjna odpowiedź Th17 promuje ekspresję genów prozapalnych u osób z POChP i (3) mikrobiom dróg oddechowych pośredniczy w jej wpływie na odpowiedź immunologiczną Th17 poprzez wydzielanie bakteryjnych pęcherzyków błony zewnętrznej (OMV).

W tym badaniu: (1) ustalimy związek między mikrobiomem dróg oddechowych a fenotypami komórkowymi Th17/Treg wśród osób zakażonych wirusem HIV z POChP; (2) badają pośredniczoną przez bakterie regulację w górę genów prozapalnych i prozwłóknieniowych Th17 wśród osób zakażonych wirusem POChP oraz (3) badają rolę bakteryjnych pęcherzyków błony zewnętrznej (OMV) w pośredniczeniu w odpowiedziach immunologicznych Th17 kierowanych przez mikrobiom wśród osób zakażonych wirusem HIV.

Cele i cele studiów

Cel badania:

Zbadanie zapalenia wywołanego mikrobiomem dróg oddechowych, w którym pośredniczy Th17, w POChP wśród osób zakażonych wirusem HIV

Konkretne cele

1. Ustalenie związku między mikrobiomem dróg oddechowych a fenotypami komórkowymi Th17/Treg wśród osób zakażonych wirusem HIV z POChP.
2. Zbadanie pośredniczonej przez bakterie regulacji w górę genów prozapalnych Th17 wśród osób zakażonych wirusem HIV z POChP
3. Zbadanie roli bakteryjnych pęcherzyków błony zewnętrznej (OMV) w pośredniczeniu w odpowiedziach immunologicznych Th17 wywołanych dysbiozą wśród osób zakażonych wirusem HIV.

Opis problemu Przewlekła obturacyjna choroba płuc jest coraz częstsza wśród osób żyjących z HIV/AIDS (PLWHA), ponieważ powszechne stosowanie terapii antyretrowirusowej (ART) wydłużyło długość życia w tej populacji[5]. Nadal nie wiadomo, co powoduje przewlekłe zapalenie dróg oddechowych w PLWHA dobrze kontrolowanej za pomocą ART. Pomimo dobrze ugruntowanego związku między POChP a gruźlicą płuc, nie uwzględnia ona w pełni zgłoszonych przypadków POChP wśród PLWHA[5]. W badanej przez nas populacji ani palenie, ani ekspozycja na biomasę nie były związane z POChP. Istnieje potrzeba zbadania czynników powodujących przewlekłe zapalenie dróg oddechowych wśród PLWHA.

Uzasadnienie Specyficzne zbiorowiska drobnoustrojów zdolne do wywoływania intensywnych odpowiedzi immunologicznych mogą decydować o wyniku interakcji między gospodarzem a mikrobiomem, tj. tolerancji immunologicznej lub zapaleniu. Podczas gdy dogłębna charakterystyka mikrobiomu dróg oddechowych została przeprowadzona w badaniach na ludziach i modelach zwierzęcych POChP[5-8], zgłoszono tylko powiązania, a kilka specyficznych sygnatur uznano za czynniki predykcyjne śmiertelności z powodu POChP[9]. Kilka zwierzęcych modeli mikrobiomu zostało przełożonych na testowalny model dróg oddechowych lub płuc człowieka, aby rozwinąć mechanistyczną rolę mikrobiomu w POChP. Rozszyfrowanie, które bakterie wywołują silną odpowiedź immunologiczną wśród wielu społeczności drobnoustrojów, pozostaje istotnym obszarem zainteresowania pod fenotypem i identyfikacją cech, które można leczyć. Wierzymy, że dążenie do tego pytania badawczego zapewni podstawę do immunofenotypowania zbiorowisk drobnoustrojów dróg oddechowych jako tolerogennych (indukujących Treg) lub zapalnych (indukujących Th17), co jest potencjalnie przełomowym odkryciem naukowym w immunobiologii układu oddechowego.

Przegląd literatury Na całym świecie ponad 80% zgonów związanych z chorobami niezakaźnymi ma miejsce w krajach o niskim i średnim dochodzie (LMIC)[10]. Wśród chorób niezakaźnych przewlekła choroba płuc jest czwartą najczęstszą przyczyną zgonów na świecie i przewiduje się, że do 2030 r. stanie się trzecim co do wielkości problemem zdrowotnym w Afryce Subsaharyjskiej[11]. POChP jest postępującą, zagrażającą życiu obturacją dróg oddechowych, która początkowo powoduje duszność podczas wysiłku i predysponuje do zaostrzeń i poważnych chorób [12]. W populacji ogólnej POChP do 2015 r. pochłonęła łącznie trzy miliony istnień ludzkich na całym świecie[13]. W wyniku globalnego zwiększenia skali terapii antyretrowirusowej (ART) i profilaktyki kotrimoksazolem częstość występowania infekcji płucnych drastycznie spadła, ale POChP jest coraz bardziej rozpoznawanym, ale słabo poznanym powikłaniem [14]. Dotychczasowa metaanaliza dotycząca epidemiologii POChP w globalnej populacji zakażonych wirusem HIV wykazała częstość występowania POChP między 3 a 23% [15].

Do 2015 roku częstość występowania i czynniki ryzyka POChP w Ugandzie były w dużej mierze nieznane. Częstość występowania POChP została po raz pierwszy oszacowana w populacji wiejskiej w Ugandzie na 16% [11]. W tym badaniu nie porównano częstości występowania ze względu na status HIV. Zgłoszona częstość występowania była wyższa w porównaniu z innymi badaniami w regionie i może być wyjaśniona innymi czynnikami. Siddharthan i współpracownicy odnotowali 6,1% częstość występowania POChP w wiejskich społecznościach Ugandy w dystrykcie Nakaseke w porównaniu do 1,5% częstości występowania w społecznościach miejskich Kampali[16]. W badaniu tym podkreślono, że najważniejszym czynnikiem związanym z POChP było miejsce zamieszkania na wsi, a HIV nie wydaje się być istotnym czynnikiem ryzyka POChP[5]. Niemniej jednak w tym badaniu populacyjnym nie zbadano wpływu miana wirusa HIV i liczby komórek CD4 na częstość występowania POChP i wyniki czynności płuc. Również status HIV był zgłaszany przez samych siebie na poziomie 8,1%. Podobnie w niedawnym badaniu przeprowadzonym w południowo-zachodniej Ugandzie, North i współpracownicy nie zgłosili żadnego istotnego związku między HIV a objawami ze strony układu oddechowego ani czynnością płuc. Jednak autorzy nie badali wpływu cech swoistych dla wirusa HIV na POChP[17].

W wiejskich warunkach klinik ART w dystrykcie Nakaseke w Ugandzie, z uczestnikami z dobrze kontrolowanym wirusem HIV, stwierdziliśmy częstość występowania POChP na poziomie 6,22% [5]. Historia gruźlicy płuc była silnie związana z POChP i upośledzoną czynnością płuc. Zgodnie z oczekiwaniami, starszy wiek wiązał się ze zmniejszoną czynnością płuc. Jednak specyficzne cechy HIV, w tym stosowanie i czas trwania ART, bieżąca i początkowa liczba limfocytów T CD4+ oraz miano wirusa nie były związane z POChP lub zmniejszoną czynnością płuc zarówno w skorygowanej, jak i skorygowanej analizie [5]. Wśród zdiagnozowanych POChP wiązała się z gorszym stanem zdrowia układu oddechowego i ciężkimi objawami ze strony układu oddechowego. Obecnie nie do końca wiadomo, co napędza przewlekłe zapalenie płuc w naszej populacji PLWHA z ponad 90% supresją wirusologiczną, liczbą klastrów różnicowania 4 (CD4) >500, 80% osób niepalących, z historią wyleczenia z gruźlicy płuc i bez istotnego związku między POChP a ekspozycją na biomasę[5]. Dowody z ostatnich badań sugerują, że zbiorowiska bakteryjne zamieszkujące powierzchnie błony śluzowej dróg oddechowych powodują przewlekły stan zapalny [8].

W warunkach homeostatycznych powierzchnia błony śluzowej dróg oddechowych jest zasiedlona przez komensalne zbiorowiska drobnoustrojów. Organizmy te indukują odporność na kolonizację przeciwko patobiontom poprzez kilka mechanizmów molekularnych[18]. Najczęściej badane mechanizmy obejmują interakcje mikrob-mikrob i mikrob-gospodarz. Komensale rozmnażają się bardzo szybko i żyją w gęsto zajętych niszach biologicznych, ograniczając dostępność składników odżywczych w tych mikrosiedliskach. Ta rywalizacja o zasoby takie jak aminokwasy, cukry, cynk, żelazo i tlen ogranicza kolonizację przez patobionty[18]. Zatem większa różnorodność drobnoustrojów implikuje większą liczbę drobnoustrojów wykorzystujących bardziej wszechstronną pulę metabolitów, co stanowi wyzwanie dla rozwoju wszelkich patobiontów. Dlatego wszelkie zmiany skutkujące utratą biomasy lub różnorodności drobnoustrojów destabilizują ekosystem drobnoustrojów, stwarzając okazję do namnażania się szczepów o podwyższonej sprawności.

Niektóre komensale bezpośrednio hamują wzrost patobiontów poprzez wydzielanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP). Czynniki te powstrzymują wzrost sąsiednich bakterii za pomocą wielu mechanizmów, takich jak hamowanie syntezy ściany komórkowej, tworzenie porów i aktywność nukleazy. Inne cząsteczki niepeptydowe, które hamują proliferację sąsiednich bakterii, obejmują krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), nadtlenek wodoru (H2O2) i wtórne kwasy żółciowe. Wreszcie, bakteryjne systemy wydzielnicze (zwłaszcza system wydzielniczy typu VI) były szeroko stosowane przez komensale do transportu substancji toksycznych do ich środowiska, a nawet do pobliskich komórek eukariotycznych lub prokariotycznych [18].