Микробиом дыхательных путей и Th17-опосредованное воспаление при ХОБЛ среди ВИЧ-инфицированных в сельской когорте Уганды (HLM)

Введение Улучшение доступа к антиретровирусной терапии (АРТ) среди людей, живущих с ВИЧ/СПИДом (ЛЖВС), привело к снижению заболеваемости и смертности, связанных с ВИЧ[1]. Это особенно актуально для стран с низким и средним уровнем дохода (СНСД), которые несут наибольшее бремя ВИЧ[2]. Снижение смертности привело к существенному увеличению ожидаемой продолжительности жизни, при этом оценки среди ЛЖВС в настоящее время приближаются к показателям населения в целом[3]. Следовательно, выжившие стали уделять повышенное внимание растущему бремени неинфекционных заболеваний (НИЗ), таких как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ)[4]. В странах Африки к югу от Сахары, где наблюдается самая высокая плотность ЛЖВС, наблюдается резкое увеличение заболеваемости и смертности, связанных с ХОБЛ, особенно у лиц с туберкулезом легких (ЛТБ) в анамнезе [5]. В сельских клиниках Уганды, занимающихся АРТ, мы сообщили о распространенности ХОБЛ на уровне 6,22%, при этом наличие ЛТБ в анамнезе является самым сильным прогностическим фактором риска ХОБЛ и снижения функции легких [5]. В настоящее время до конца не известно, что вызывает хроническое воспаление легких у ЛЖВС, хорошо контролируемых АРТ.

В поисках ответов на вышеуказанный вопрос мы изучали роль измененного микробиома дыхательных путей в организации хронического воспаления дыхательных путей у ЛЖВС. Наш исследовательский вопрос был поддержан растущим объемом знаний из исследований на людях и животных о том, что изменения в бактериальных сообществах, населяющих дыхательные пути, вызывают иммунные реакции и хроническое воспаление дыхательных путей [6-9]. В недавнем исследовании с участием 50 ВИЧ+ХОБЛ+, 50 ВИЧ+ХОБЛ-, 50 ВИЧ-ХОБЛ- и 50 ВИЧ-ХОБЛ- участников в сельской местности Уганды мы исследовали связь между измененным микробиомом дыхательных путей и ВИЧ-ассоциированной ХОБЛ (NCT040702). Предварительный анализ 16S-секвенирования образцов индуцированной мокроты показал, что, несмотря на незначительные различия в бактериальном разнообразии среди ЛЖВС с ХОБЛ по сравнению с контрольной группой, комменсальные микробы, принадлежащие к родам Atopobium, Megasphaera, Actinomyces, Selenomonas, Stomatobaculum и Oribacterium, были значительно обогащены у ЛЖВС. с ХОБЛ, в то время как микробы, принадлежащие к родам Prevotella, Porphyromonas, Pseudopropionibacterium, Odoribacter и Filifactor, были истощены. Наши результаты ясно показывают, что ВИЧ поражает больше легочных бактерий, чем ХОБЛ, что позволяет предположить, что ВИЧ-ассоциированные изменения в уникальных родах микробов дыхательных путей могут быть причиной ХОБЛ среди ЛЖВС в нашей когорте. В настоящее время остается неизвестным, как такие роды вызывают хроническое воспаление дыхательных путей.

Исследования на мышиных моделях показывают, что Prevotella, Bacteroides и Veillonella играют значительную роль в организации воспаления легких посредством передачи сигналов Toll-подобного рецептора (TLR) 2/4 на альвеолярные макрофаги, эпителиальные клетки и дендритные клетки, которые запускают клетки адаптивного иммунитета [8]. Сообщаемый результат был аберрантным Th17 и сниженным иммунным ответом Treg с использованием моделей мышей, свободных от микробов и специфических патогенов [8]. Точно так же недавние данные исследований на людях показывают, что роды Prevotella и Veillonella связаны с особым метаболическим профилем, повышенной экспрессией провоспалительных цитокинов, характеризующейся повышенным клеточным ответом Th17 [9]. Сообщается, что связь между микробиомом и клеткой-хозяином опосредуется секретируемыми бактериальными везикулами внешней мембраны (OMV), которые коррелируют с бактериальной биомассой (рис. 2) [8]. Мы считаем, что идентификация родов бактерий дыхательных путей, которые вызывают аберрантный Th17-ответ у ЛЖВС с ХОБЛ, может стать ступенькой на пути к разработке стратегий, направленных на восстановление микробного баланса либо путем прямой элиминации патобионтов с помощью антибиотиков, либо восстановления комменсалов с помощью пробиотиков для повышения резистентности к колонизации на поверхностях слизистых оболочек. .

Основываясь на этом фоне, мы стремимся исследовать, подпитывает ли микробиом дыхательных путей опосредованное Th17 воспаление дыхательных путей при ХОБЛ среди ВИЧ-инфицированных. Мы предполагаем, что: (1) микробиом индуцирует Th17 дыхательных путей и подавляет иммунные ответы Treg у ВИЧ-инфицированных людей с ХОБЛ; (2) бактериальный ответ Th17 способствует экспрессии провоспалительных генов у людей с ХОБЛ, а (3) микробиом дыхательных путей опосредует его влияние на иммунный ответ Th17 посредством секреции бактериальных везикул наружной мембраны (OMV).

В этом исследовании мы: (1) установим взаимосвязь между микробиомом дыхательных путей и клеточными фенотипами Th17/Treg среди ВИЧ-инфицированных лиц с ХОБЛ; (2) исследовать бактериально-опосредованную активацию Th17 провоспалительных и профибротических генов среди ВИЧ-инфицированных с ХОБЛ и (3) изучить роль бактериальных везикул наружной мембраны (OMV) в опосредовании управляемых микробиомом иммунных ответов Th17 среди ВИЧ-инфицированных.

Цели и задачи исследования

Цель исследования:

Исследовать опосредованное микробиомом дыхательных путей Th17-опосредованное воспаление при ХОБЛ у ВИЧ-инфицированных лиц.

Конкретные цели

1. Установить взаимосвязь между микробиомом дыхательных путей и клеточным фенотипом Th17/Treg у ВИЧ-инфицированных лиц с ХОБЛ.
2. Исследовать опосредованную бактериями активацию провоспалительных генов Th17 среди ВИЧ-инфицированных лиц с ХОБЛ.
3. Изучить роль бактериальных везикул наружной мембраны (OMV) в опосредовании иммунных ответов Th17, вызванных дисбиозом, у ВИЧ-инфицированных.

Постановка проблемы Хроническая обструктивная болезнь легких становится все более распространенной среди людей, живущих с ВИЧ/СПИДом (ЛЖВС), поскольку широкое использование антиретровирусной терапии (АРТ) увеличивает продолжительность жизни этой группы населения[5]. До сих пор неизвестно, что вызывает хроническое воспаление дыхательных путей у ЛЖВС, которые хорошо контролируются АРТ. Несмотря на хорошо установленную связь между ХОБЛ и туберкулезом легких, она не полностью объясняет зарегистрированные случаи ХОБЛ среди ЛЖВС[5]. В нашей исследовательской популяции ни курение, ни воздействие биомассы не были связаны с ХОБЛ. Необходимо изучить факторы, вызывающие хроническое воспаление дыхательных путей у ЛЖВС.

Обоснование Специфические микробные сообщества, способные вызывать интенсивные иммунные ответы, могут определять результат взаимодействия хозяина и микробиома, будь то иммунная толерантность или воспаление. В то время как углубленная характеристика микробиома дыхательных путей была выполнена в исследованиях ХОБЛ на людях и на животных моделях [5-8], сообщалось только об ассоциациях, а несколько специфических сигнатур были вовлечены в качестве предикторов смертности от ХОБЛ [9]. Немногие модели микробиома на животных были переведены в тестируемую модель дыхательных путей человека или легких, чтобы уточнить механистическую роль микробиома в ХОБЛ. Расшифровка того, какие бактерии вызывают сильный иммунный ответ среди множества микробных сообществ, остается важной областью интересов для субфенотипа и выявления излечимых признаков. Мы считаем, что решение этого исследовательского вопроса послужит основой для иммунофенотипирования микробных сообществ дыхательных путей как толерогенных (Treg-индуцирующих) или воспалительных (Th17-индуцирующих), что является потенциально плодотворным научным открытием в респираторной иммунобиологии.

Обзор литературы Во всем мире более 80% смертей, связанных с НИЗ, происходят в странах с низким и средним уровнем дохода (СНСД)[10]. Среди НИЗ хронические заболевания легких являются четвертой по значимости причиной смерти во всем мире и, по прогнозам, к 2030 году станут третьей по величине проблемой здравоохранения в странах Африки к югу от Сахары[11]. ХОБЛ представляет собой прогрессирующую опасную для жизни обструкцию дыхательных путей, которая сначала вызывает одышку при физической нагрузке и предрасполагает к обострениям и серьезным заболеваниям [12]. К 2015 г. в общей популяции ХОБЛ унесла в общей сложности три миллиона жизней во всем мире[13]. В результате глобального расширения масштабов антиретровирусной терапии (АРТ) и профилактики котримоксазолом заболеваемость легочными инфекциями резко снизилась, но ХОБЛ становится все более распознаваемым, но плохо изученным осложнением [14]. Метаанализ эпидемиологии ХОБЛ среди ВИЧ-инфицированного населения мира на сегодняшний день демонстрирует распространенность ХОБЛ от 3 до 23% [15].

До 2015 года распространенность и факторы риска ХОБЛ в Уганде практически не были охарактеризованы. Распространенность ХОБЛ была впервые оценена среди сельского населения Уганды и составила 16% [11]. В этом исследовании они не сравнивали распространенность ВИЧ-статуса. Зарегистрированная распространенность была выше по сравнению с другими исследованиями в регионе и может быть объяснена другими факторами. Сиддхартхан и его коллеги сообщили о распространенности ХОБЛ на уровне 6,1% в сельских общинах Уганды округа Накасеке по сравнению с распространенностью на уровне 1,5% в городских общинах Кампалы [16]. В этом исследовании было подчеркнуто, что наиболее важным фактором, связанным с ХОБЛ, является проживание в сельской местности, а ВИЧ, по-видимому, не является важным фактором риска ХОБЛ[5]. Тем не менее, в этом популяционном исследовании не изучалось влияние вирусной нагрузки ВИЧ и количества CD4 на распространенность ХОБЛ и показатели функции легких. Кроме того, о ВИЧ-статусе сообщили 8,1%. Точно так же в недавнем исследовании, проведенном на юго-западе Уганды, Норт и его коллеги не сообщили о какой-либо значимой связи между ВИЧ и респираторными симптомами или функцией легких. Однако авторы не исследовали влияние специфических характеристик ВИЧ на ХОБЛ [17].

В сельской местности клиник АРТ в районе Накасеке в Уганде, где участники имели хорошо контролируемый ВИЧ, мы обнаружили распространенность ХОБЛ на уровне 6,22%[5]. История туберкулеза легких была тесно связана с ХОБЛ и снижением функции легких. Как и ожидалось, увеличение возраста ассоциировалось со снижением функции легких. Однако специфические характеристики ВИЧ, включая использование и продолжительность АРТ, текущее и исходное количество CD4+ Т-клеток и вирусную нагрузку, не были связаны с ХОБЛ или снижением функции легких как в скорректированном, так и в скорректированном анализе [5]. Среди тех, у кого был диагностирован ХОБЛ, ухудшилось состояние респираторного здоровья и появились тяжелые респираторные симптомы. В настоящее время до конца не известно, что вызывает хроническое воспаление легких у нашей популяции ЛЖВС с более чем 90% вирусологической супрессией, числом кластеров дифференцировки 4 (CD4)> 500, 80% некурящих, с историей излечения от туберкулеза легких и без значимой связи между ХОБЛ и воздействием биомассы[5]. Данные недавних исследований свидетельствуют о том, что бактериальные сообщества, населяющие поверхности слизистых оболочек дыхательных путей, вызывают хроническое воспаление [8].

В гомеостатических условиях поверхность слизистой оболочки дыхательных путей заселена комменсальными микробными сообществами. Эти организмы вызывают резистентность к колонизации патобионтов с помощью нескольких молекулярных механизмов [18]. Наиболее изученные механизмы включают взаимодействие микроб-микроб и микроб-хозяин. Комменсалы размножаются очень быстро и существуют в плотно занятых биологических нишах, что ограничивает доступность питательных веществ в этих микросредах обитания. Эта конкуренция за такие ресурсы, как аминокислоты, сахара, цинк, железо и кислород, ограничивает колонизацию патобионтами[18]. Таким образом, более высокое микробное разнообразие подразумевает, что большее количество микробов использует более универсальный пул метаболитов, что создает проблемы для процветания любых патобионтов. Следовательно, любые изменения, приводящие к потере микробной биомассы или разнообразия, дестабилизируют микробную экосистему, создавая возможность для размножения штаммов с повышенной приспособленностью.

Некоторые комменсалы напрямую ингибируют рост патобионтов за счет секреции антимикробных пептидов (АМП). Такие факторы сдерживают рост соседних бактерий с помощью множества механизмов, таких как ингибирование синтеза клеточной стенки, образование пор и активность нуклеаз. Другие непептидные молекулы, которые ингибируют пролиферацию соседних бактерий, включают короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), перекись водорода (H2O2) и вторичные желчные кислоты. Наконец, бактериальные системы секреции (особенно система секреции типа VI) широко используются комменсалами для переноса токсичных веществ в окружающую среду или даже в близлежащие эукариотические или прокариотические клетки [18].