Auswirkungen von Aspergillus fumigatus bei allergischen Atemwegserkrankungen

Pilze und Atemwegsallergien

Pilze sind allgegenwärtig und für ein breites Spektrum von Überempfindlichkeitserkrankungen des Typs I-IV verantwortlich. Neuere epidemiologische Studien zeigen deutlich den Zusammenhang zwischen Pilzsensibilisierung und Exazerbationen von allergischem Asthma, was zu erhöhter Morbidität und Mortalität führt. Zu den wichtigsten durch Pilze verursachten Atemwegsmanifestationen gehören allergische Bronchopulmonalmykosen (ABPM), schweres Asthma mit Pilzsensibilisierung (SAFS), Überempfindlichkeitspneumonitis, Pilzsinusitis und allergische Rhinitis. Im Gegensatz zu anderen Allergenen (z. B. Pollen) stellen Pilze auch ein lebensbedrohliches Risiko für invasive Lungenentzündungen bei immungeschwächten Patienten dar, was ihre erheblichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit noch unterstreicht. Heute weiß man, dass die Pathogenese von Krankheiten wie Asthma und Allergien durch die Wechselwirkungen zwischen Wirt, Genen und Umwelt bestimmt wird. In dieser Übersichtsarbeit konzentrieren wir uns auf die Rolle von Fadenpilzen bei allergischen Erkrankungen der Atemwege und erörtern, wie Pilze T-Helfer (Th) 2 -vermittelte allergische Erkrankungen als Ergebnis von Wirt-Pathogen-Interaktionen vermitteln, die zu einer unwirksamen Beseitigung von Sporen führen, und wie prädisponierende Faktoren wie die Wirtsgenetik die Ergebnisse für Atemwegserkrankungen bestimmen.

Epidemiologie und Ergebnisse

Unter den Fadenpilzen werden Aspergillus-Arten stark mit einer Verschlimmerung von Asthma und anderen allergischen Atemwegserkrankungen in Verbindung gebracht. Über 80 % der mit Aspergillus in Zusammenhang stehenden Erkrankungen wie extrinsische allergische Alveolitis, Asthma, allergische Sinusitis, chronische eosinophile Pneumonie, Hypersensitivitätspneumonitis, SAFS und allergische bronchopulmonale Aspergillose (ABPA) werden am häufigsten durch A. fumigatus verursacht. Die ABPA ist die komplexeste durch A. fumigatus verursachte allergische Manifestation und wurde erstmals 1952 von Hinson et al. im Vereinigten Königreich beschrieben. Andere Pilze wie Cryptococcus neoformans und Scedosporium apiospermum werden ebenfalls mit ähnlichen klinischen Manifestationen in Verbindung gebracht, die allgemein als ABPM bezeichnet werden.

Verbesserte Diagnosemethoden und ein größeres Bewusstsein haben dazu geführt, dass in letzter Zeit über eine höhere Prävalenz von ABPA bei Patienten mit chronischem Asthma (1-40 %) und akutem schwerem Asthma (~38 %) berichtet wird. Die Prävalenz der A. fumigatus-Überempfindlichkeit ist bei Patienten mit akutem schwerem Asthma sogar noch höher (~51 %). Es wurde berichtet, dass A. fumigatus-sensibilisierte Asthmapatienten eine schlechtere Lungenfunktion haben. ABPA kommt auch bei bis zu 7-15 % der Patienten mit zystischer Fibrose (CF) vor. ABPA führt zu schlecht kontrolliertem Asthma mit pulmonalen Exazerbationen und nachteiligen Folgen; die Abhängigkeit von oralen Kortikosteroiden erhöht das Risiko für Sekundärinfektionen. In seltenen Fällen wurde berichtet, dass eine ABPA-Erkrankung auch andere Lungenkrankheiten wie idiopathische Bronchiektasen, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) und chronische granulomatöse Erkrankungen komplizieren kann. Darüber hinaus wurde ABPA auch bei Patienten mit pulmonalem Aspergillom und chronisch nekrotisierender pulmonaler Aspergillose beobachtet (siehe ). Zu den diagnostischen Parametern der ABPA gehören Asthma, röntgenologische flüchtige Lungentrübungen, zentrale Bronchiektasien, Typ-I- und Typ-III-Überempfindlichkeit gegen A. fumigatus-Antigene (auf die weiter unten näher eingegangen wird) sowie eine erhöhte Eosinophilie im peripheren Blut. Die ABPA umfasst mehrere Stadien von Exazerbationen (akut und rezidivierend) und Remissionen, eine zentrale Bronchiektasie mit Lungenfibrose und eine mögliche Ateminsuffizienz . Allerdings weisen nicht alle ABPA-Patienten in den verschiedenen Stadien diese diagnostischen Kriterien auf, und einige dieser Merkmale überschneiden sich mit denen von Patienten mit A. fumigatus-Überempfindlichkeit und Asthma. Eine Vereinheitlichung der diagnostischen Parameter ist nach wie vor erforderlich, um die Ergebnisse bei ABPA-Patienten zu verbessern.

Pathogenese von Pilzen & Clearance der Atemwege

Der häufigste prädisponierende Faktor, der mit der ABPA-Pathogenese in Verbindung gebracht wird, ist eine mangelhafte Clearance von Konidien in den Atemwegen. Das Epithel der Atemwege, die erste Verteidigungslinie, stößt eingeatmete Pilzsporen durch mukoziliäre Aktivität aus. Pilzsporen, die der mukoziliären Clearance des Epithels entgehen, gelangen in die Alveolen und werden von den dort ansässigen Phagozyten bekämpft; Neutrophile als Effektorzellen töten gekeimte Hyphenformen durch nicht-oxidative oder oxidativ vermittelte Reaktionen effizient ab. Myeloide Zellen der Atemwege erkennen Pilze auch über Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) wie Toll-like-Rezeptoren (TLRs) und Dectin-1 und stimulieren die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen/Chemokinen. Eine Unterbrechung der angeborenen Immunabwehr durch Pilzsporen ist Voraussetzung für deren Auskeimung und die Entstehung pilzbedingter Allergien, da ruhende Konidien immunologisch inert sind. Man geht davon aus, dass die unwirksame Beseitigung der Sporen größtenteils aus strukturellen Anomalien des Atemwegsepithels resultiert, wie sie bei Patienten mit allergischem Asthma oder anderen Ursachen chronischer Lungenerkrankungen zu beobachten sind und die Keimung der Sporen in vegetative Zellen (Hyphen) ermöglichen.

Pilzhyphen sezernieren Proteasen und Toxine, die das Epithel der Atemwege schädigen und zum Verlust der tight junctions führen. Die Schädigung des Epithels führt zu einer verstärkten Exposition von A. fumigatus-Antigenen gegenüber pulmonalen dendritischen Zellen (DCs), die naive Th-Zellen zu Th2-Zellen machen, die Zytokine wie IL-4, IL-5 und IL-13 sezernieren, was zu einem IgE-Isotypwechsel der B-Zellen, einer erhöhten Sekretion von A. fumigatus-spezifischen IgG-, IgE- und Gesamt-IgE-Antikörpern und einem pulmonalen eosinophilen Zustrom führt. Bislang wurden mehr als 20 Allergene/Antigene von A. fumigatus beschrieben (http://www.allergen.org). Darüber hinaus tragen verschiedene Chemokine wie Monocyte Chemotactic protein (MCP-1), Regulated on Activation and Normal T-cell expressed (RANTES), IL-8 und macrophage inflammatory protein-1α (MIP-1α), die von phagozytären und nicht-phagozytären Zellen sezerniert werden, zur entzündlichen Pathologie der ABPA bei.

Immunopathogenese der ABPA bei CF-Patienten: Newer Understandings

CF wird durch Mutationen im CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) verursacht, der sich auf den apikalen Membranen der Epithelzellen befindet. Es sind über 1 500 Mutationen in CFTR bekannt, und die häufigste ist die Deletion von Phenylalanin an Position 508 (ΔF508), die eine Fehlfaltung des CFTR-Proteins und eine Retention im endoplasmatischen Retikulum (ER) bewirkt. Fadenpilze werden häufig aus dem Sputum von Mukoviszidose-Patienten isoliert, wobei A. fumigatus die am häufigsten vorkommende Pilzart ist. A. fumigatus-vermitteltes chronisches Asthma oder ABPA bei Mukoviszidose-Patienten verschlechtert die Lungenfunktion erheblich und führt zu schlechteren Behandlungsergebnissen. Die Diagnose von ABPA bei Mukoviszidose-Patienten stellt zudem eine große Herausforderung dar, da diagnostische Kriterien wie Lungeninfiltrate, Bronchiektasen und obstruktive Lungenerkrankungen bei Mukoviszidose-Patienten mit oder ohne ABPA häufig vorkommen.

Personen mit ABPA weisen bekanntermaßen häufiger CFTR-Mutationen auf als die gesunde Bevölkerung, was darauf hindeutet, dass CFTR-Mutationen möglicherweise die Clearance von A. fumigatus-Sporen beeinflussen. Bei der Verwendung von bronchialen Epithelzelllinien und primären murinen Trachealzellen haben wir beobachtet, dass CFTR-Mutationen bzw. -Mangel die Bindung und Aufnahme von A. fumigatus-Konidien mit unterschiedlicher Sekretion von Entzündungsmediatoren durch CF-Zellen beeinflussen. Studien haben über verbesserte klinische Ergebnisse bei ABPA-Patienten berichtet, die mit Azolen behandelt wurden. Darüber hinaus führte die antimykotische Therapie auch zu einer besseren Lungenfunktion bei A. fumigatus-sensibilisierten CF-Patienten. Diese Studien deuten darauf hin, dass A. fumigatus aktiv an der Auslösung von Th2-Reaktionen beteiligt ist, die sich bei CFTR-Mutationen fortsetzen.

Mehrere Studien haben den CF-Genotyp mit Zytokin-Dysregulationen in Verbindung gebracht und gezeigt, dass Immunreaktionen in Richtung Th2-Typ mit erhöhter Sekretion proinflammatorischer Zytokine durch CF-Epithelzellen verzerrt sind. Diese Studien deuten darauf hin, dass CFTR-Mutationen zu einem Zytokin-Milieu führen, das das Gleichgewicht der A. fumigatus-spezifischen CD4+ T-Zell-Reaktionen in Richtung Th2 verschieben kann. Es ist auch möglich, dass bei Mukoviszidose eine erhöhte Häufigkeit von A. fumigatus-spezifischen CD4+ Th2-Zellen vorliegt. Studien von Allard et al. zeigten, dass T-Zellen von naiven CFTR-defizienten Mäusen höhere Mengen an Th2-Zytokinen produzieren. Diese Studie zeigte auch, dass Mäuse mit CFTR-Mangel oder -Mutationen eine ausgeprägte Th2-vermittelte Reaktion auf Hyphenantigene von A. fumigatus entwickeln. Dass CFTR-Mutationen das Th1/Th2-Gleichgewicht regulieren, wurde auch durch Studien von Muller et al. deutlich, die zeigten, dass die intra-tracheale Verabreichung von rekombinantem, verkürztem CFTR die Konzentration von Th2-Zytokinen und IgE-Antikörpern in einem CFTR-defizienten Mausmodell der ABPA reduziert.

Die Mechanismen der Th2-Verzerrung sind noch nicht genau definiert. Neben Epithelzellen wird CFTR auch von anderen Immunzellen wie Lymphozyten und Alveolarmakrophagen exprimiert. Di et al. wiesen nach, dass CFTR-defiziente Alveolarmakrophagen keine lysosomale Ansäuerung durchlaufen, was möglicherweise zu einer Umgebung führt, die das Wachstum pathogener Mikroorganismen begünstigt. Ein CFTR-Mangel auf CD4+ T-Lymphozyten führt zu abnormen Kalziumflüssen, die eine verstärkte Kerntranslokation des Kernfaktors aktivierter T-Zellen (NFAT) bewirken und möglicherweise eine Th2-feindliche Reaktion auslösen. Kürzlich wiesen Kreindler et al. nach, dass die Th2-Reaktivität bei CF-ABPA-Patienten von der Expression des kostimulatorischen Moleküls OX40-Ligand (OX40L) auf DCs abhängt, die bei in vitro-Zugabe von Vitamin D3 abnimmt. Mukoviszidose-Patienten weisen also multifaktorielle Defekte sowohl in der angeborenen als auch in der adaptiven Lungenimmunität gegen Krankheitserreger auf; eine Modulation der Wirtsimmunität aufgrund der chronischen Atemwegsinfektion mit A. fumigatus führt möglicherweise zur Entstehung von ABPA.

Pilzfaktoren und Wirtsimmunantwort

Pilzproteasen

Pilzproteasen sind potente Allergene, die pulmonale allergische Reaktionen auslösen. Es ist bekannt, dass Aspergillus-Spezies große Mengen an Proteasen produzieren, die die Produktion von IL-6, IL-8 und MCP-1 durch die Epithelzellen der Atemwege induzieren; diese Enzyme unterbrechen auch die epithelialen tight junctions und induzieren die Abschuppung der Zellen. Kürzlich berichteten Porter et al., dass aus A. niger stammende Proteasen bei Mäusen eine robuste allergische Lungenerkrankung auslösen.

In jüngster Zeit wurde festgestellt, dass Proteasen proteaseaktivierte Rezeptoren (PARs) aktivieren. PARs sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die auf den Zellen der Atemwege und anderen Zellen wie Mastzellen, Eosinophilen, Neutrophilen, Makrophagen und Lymphozyten vorhanden sind. Bislang wurden vier PARs identifiziert; PAR-2 ist der wichtigste bei allergischen Atemwegserkrankungen, da er auf den Atemwegen von Asthmapatienten vermehrt vorkommt. Interessanterweise sezernieren verletzte Epithelzellen der Atemwege auch Trypsin, einen PAR-2-Agonisten, der die allergischen Entzündungsreaktionen weiter verschlimmert. In Mausmodellen wurde berichtet, dass PAR-2 die pulmonale Eosinophileninfiltration und die Hyperreaktivität der Atemwege vermittelt, was auf eine Rolle bei der Verschlimmerung von Th2-vermittelten Reaktionen hindeutet. Darüber hinaus fördert PAR-2 die Fibrose und die erhöhte IgE-Produktion bei allergischen Erkrankungen (Übersicht in ). Über die Rolle von TLRs bei der Regulierung der PAR-Signalübertragung und der Entzündungsreaktionen auf A. fumigatus wurde ebenfalls berichtet. In Studien von Moretti et al. wurde berichtet, dass die Proteasen von A. fumigatus die Entzündungsreaktionen des Wirts in der Lunge fördern, indem sie die Expression von PAR-2 über einen TLR-4-abhängigen Mechanismus herunterregulieren. Somit ist es möglich, dass die von A. fumigatus sezernierten Proteasen, die auf dem Epithel der Atemwege wachsen, IgG- und IgE-vermittelte allergische Reaktionen durch ein Zusammenspiel von PARs und TLRs-vermittelten Signalwegen auslösen, was zu pulmonalen Komplikationen wie ABPA führt.

Eine Umgehung der tolerogenen Mechanismen ist ebenfalls erforderlich, um Th2-vermittelte allergische Reaktionen bei Asthmapatienten auszulösen. Studien von Kheradmand et al. haben gezeigt, dass Pilzproteasen in der Lage sind, die Atemwegstoleranz zu unterbrechen, und dass sie, wenn sie in die Atemwege eingebracht werden, Th2-vermittelte allergische Reaktionen aktivieren können, ohne dass ein adjuvantes Priming erforderlich ist. DCs spielen auch eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Toleranz in der Lunge durch die Produktion von IL-10, einem immunregulatorischen Zytokin, das die Entwicklung von TGF-β exprimierenden CD4+ T-regulatorischen Zellen (Tregs) induziert. In einer kürzlich durchgeführten Studie zeigten Kriendler et al., dass CD4+ T-Zellen aus einer Kohorte von mit A. fumigatus kolonisierten Nicht-ABPA-CF-Patienten im Vergleich zu CF-ABPA-Patienten eine erhöhte Frequenz von TGF-β-exprimierenden Tregs aufwiesen. Diese Studie legt nahe, dass die Toleranz gegen A. fumigatus-Antigene bei CF-ABPA-Patienten gestört ist und mit Vitamin-D-Mangel korreliert.

Pilzzellwandkomponenten

Die Pilzzellwand besteht hauptsächlich aus Polysacchariden wie Galactomannan, Chitin, α- und β-Glucanen. Es ist inzwischen gut dokumentiert, dass die Zellwand von gequollenen oder gekeimten A. fumigatus-Konidien aus β-Glucan besteht, das Dectin-1-vermittelte Entzündungsreaktionen auslöst. Dectin-1-aktivierte DCs fördern die Differenzierung von Th17- und Th1-Zellen in vivo und können auch Tregs in Th17-Zellen umwandeln. Die Rolle von Dectin-1 in Epithelzellen der Atemwege ist nicht genau definiert; neuere Studien haben jedoch eine Dectin-1-Oberflächenexpression nach TLR-2-Stimulation mit Mykobakterien- und Pilzantigenen gezeigt }. Es wurde berichtet, dass Mukoviszidose-Epithelzellen im Vergleich zu gesunden Probanden eine verminderte Expression von TLR-4 aufweisen, was zu einer verminderten angeborenen Immunantwort auf eine P. aeruginosa-Infektion führt. Es ist wahrscheinlich, dass die genetische Ausstattung des Wirts die TLR- und C-Typ-Lektinrezeptor(en)-spezifischen Immunantworten auf A. fumigatus-Zellwandkomponenten bestimmt.

Chitin induziert nachweislich Wirts-Citinasen in einem mit A. fumigatus infizierten Meerschweinchenmodell, was durch eine antimykotische Behandlung vermindert wurde. Mäuse, denen Chitin verabreicht wurde, wiesen eine Infiltration von IL-4 exprimierenden Eosinophilen und Basophilen in der Lunge auf; dies geschah nicht bei mit saurer Säugetierchitinase (AMCase) vorbehandeltem Chitin oder bei Mäusen, die AMCase überexprimieren. Es ist bekannt, dass AMCase von Epithelzellen der Atemwege von Mäusen und alveolären Makrophagen exprimiert wird, und es wurde berichtet, dass sie eine antifungale Immunität gegen chitinhaltige Organismen vermittelt. In diesem Zusammenhang berichteten Chen et al. kürzlich über die In-vitro-Hemmung der Pilzaktivität durch AMCase. Somit könnte die pulmonale Immunreaktion auf verschiedene Pilzbestandteile das Ergebnis in Richtung schützend oder pathogen bestimmen.

Genetische Anfälligkeit des Wirtes

Humane Leukozyten-Antigen (HLA)-Allele

Genetische Studien haben gezeigt, dass die Expression spezifischer MHC II-Allele die Entwicklung oder den Schutz vor ABPA bestimmen könnte. Die Häufigkeit von HLA-DR2 (DRB1 *1501 und DRB1 *1503) oder DR5-Allelen ist bei ABPA-Patienten im Vergleich zu Mukoviszidose oder bei Asthmapatienten ohne ABPA höher. Diese Gruppe schlug auch die Rolle von HLA-DRB1 *1502 als Resistenzallel gegen die Entwicklung von ABPA vor. Unter Verwendung von humanisierten transgenen Mäusen berichteten sie, dass A. fumigatus-Infektionen in DRB1*1501- und DRB1 *1503-Stämmen verursachen eine tiefgreifende ABPA-ähnliche Pathologie, während der HLA-DRB1 *1502-Stamm eine schützende Th1-Antwort hervorruft. Es wird nun deutlich, dass die Interaktionen zwischen T-Zell-Rezeptor und MHC-Peptidligand eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Aktivierung von Immunantworten und des Th1/Th2-Zytokin-Gleichgewichts spielen.

Polymorphismen des SP-A-Gens und des Mannan-bindenden Lektins (MBL)

Genetische Assoziationsstudien haben gezeigt, dass Polymorphismen im SP-A- und MBL-Gen zu einer Prädisposition für die Entwicklung von ABPA führen. Saxena et al. zeigten, dass ABPA-Patienten eine höhere Häufigkeit des SP-A2-Allels A1660G aufweisen als entsprechende Kontrollpersonen. In Übereinstimmung damit wurde in einer anderen Studie berichtet, dass ABPA-Patienten eine höhere Häufigkeit des T-Allels bei T1492C und des G-Allels bei G1649C des SP-A2-Gens sowie eine höhere Häufigkeit des TT-Genotyps (71 %) bei 1492 des SP-A2-Gens als Kontrollen aufweisen. Bei Patienten mit dem MBL-Allel 1011A wurden klinische Merkmale beobachtet, die mit ABPA übereinstimmen, wie erhöhte Eosinophilie, Gesamt-IgE-Antikörper und niedrigere FEV1-Werte. Madan und Kollegen haben anhand von Mausmodellen für allergische und invasive Aspergillose über das therapeutische Potenzial von SP-A/D und MBL berichtet (Übersicht in ). Diese Studien deuten auf eine Rolle von Surfactant-Proteinen und Lektinen als mögliche Modulatoren von A. fumigatus-induzierten Entzündungen und Allergien hin.

Cytokin-Gen-Polymorphismen

Patienten mit ABPA haben eine höhere Häufigkeit des IL-15 +13689*A-Allels und des A/A-Genotyps mit einer geringeren Häufigkeit des TNF-alpha-308*A/A-Genotyps . In einer anderen Studie wurde berichtet, dass ABPA-Patienten einen Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) im extrazellulären IL-4-Rezeptor alpha, ile75val, aufweisen, der zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber IL-4-Stimulation führen könnte. Ein erhöhtes Risiko für die Besiedlung mit A. fumigatus bei Mukoviszidose-Patienten wurde mit Polymorphismen in der Promotorregion des IL-10-Gens in Verbindung gebracht; es besteht eine signifikante Korrelation zwischen dem Genotyp -1082GG und der Besiedlung mit A. fumigatus-Besiedlung und ABPA.

Polymorphismen in Chitinase und Chitinase-ähnlichen Proteinen

Chitinasen sind Enzyme, die bekanntlich Chitin spalten, das in Pilzwänden, Parasiten, Insekten und Krustentieren vorhanden ist. Polymorphismen in zwei Chitinasen von Säugetieren, nämlich AMCase und Chitotrisidase (CHIT), sowie in Chitinase-ähnlichen Proteinen wie YKL-40 spielen Berichten zufolge eine wichtige Rolle bei der Anfälligkeit für Asthma. Es ist bekannt, dass Polymorphismen im AMCase-Gen mit Asthma in Verbindung gebracht werden. Mutationen im CHIT1-Gen wurden auch bei Patienten mit SAFS festgestellt und können ebenfalls ein Risikofaktor für ABPA sein. Es wurde auch gezeigt, dass eine hohe Schimmelpilzexposition die Wirkung von SNPs im CHIT1-Gen auf schwere Asthmaexazerbationen, die zu vermehrten Krankenhausaufenthalten führen, signifikant modulieren kann – ein Beispiel für die Wechselwirkung zwischen Genen und Umwelt als Determinante für das Ergebnis der Krankheit.