Impact of Aspergillus fumigatus in allergic airway diseases

Sienet ja hengitystieallergia

Sienet ovat kaikkialla esiintyviä ja aiheuttavat laajan kirjon tyypin I-IV yliherkkyyssairauksia . Viimeaikaiset epidemiologiset tutkimukset osoittavat selvästi sieniherkistymisen ja allergisen astman pahenemisvaiheiden välisen yhteyden, joka johtaa lisääntyneeseen sairastuvuuteen ja kuolleisuuteen . Tärkeimpiä sienien aiheuttamia hengitystieoireita ovat allergiset bronkopulmonaaliset mykoosit (ABPM), vaikea astma, johon liittyy sieniyliherkistyminen (SAFS), yliherkkyyspneumoniitti, sieniperäinen poskiontelotulehdus (sinuiitti) ja allerginen nuha . Toisin kuin muut allergeenit (esim. siitepöly), sienet aiheuttavat myös hengenvaarallisen riskin invasiiviseen keuhkokuumeeseen immuunipuutteisilla potilailla; tämä korostaa entisestään niiden merkittävää vaikutusta ihmisten terveyteen. Nykyään ymmärretään, että astman ja allergian kaltaisten sairauksien patogeneesi määräytyy isännän, geenien ja ympäristön välisen vuorovaikutuksen perusteella. Tässä katsauksessa keskitymme filamenttisten sienten rooliin hengitysteiden allergisissa sairauksissa ja keskustelemme siitä, miten sienet välittävät T helper (Th) 2 -välitteisiä allergisia sairauksia isännän ja patogeenin välisten vuorovaikutusten seurauksena, jotka johtavat itiöiden tehottomaan puhdistumiseen, ja miten altistavat tekijät, kuten isännän genetiikka, määrittelevät hengitystiesairauksien tulokset.

Epidemiologia ja tulokset

Säikesienistä Aspergillus-lajit on yhdistetty vahvasti astman pahenemisvaiheisiin ja muihin hengitysteiden allergisiin sairauksiin . Yli 80 % Aspergillukseen liittyvistä sairauksista, kuten ulkoinen allerginen alveoliitti, astma, allerginen sinuiitti, krooninen eosinofiilinen pneumonia, yliherkkyyspneumoniitti, SAFS ja allerginen bronkopulmonaalinen aspergilloosi (ABPA), ovat useimmiten A. fumigatus -bakteerin aiheuttamia. ABPA on monitahoisin A. fumigatus -bakteerin aiheuttama allerginen ilmenemismuoto, ja Hinson ja muut raportoivat siitä ensimmäisen kerran Yhdistyneessä kuningaskunnassa vuonna 1952. Myös muut sienet, kuten Cryptococcus neoformans ja Scedosporium apiospermum, liittyvät samankaltaisiin kliinisiin ilmenemismuotoihin, joita kutsutaan laajasti ABPM:ksi.

Diagnostisten menetelmien ja tietoisuuden parantuminen on johtanut viimeaikaisiin raportteihin ABPA:n suuremmasta esiintyvyydestä kroonista astmaa sairastavilla potilailla (1-40 %) ja akuutista vaikeasta astmasta kärsivillä potilailla (~38 %) . A. fumigatus -yliherkkyyden esiintyvyys on vielä suurempi akuuttia vaikeaa astmaa sairastavilla potilailla (~51 %). A. fumigatus -yliherkistyneillä astmapotilailla on raportoitu olevan huonompi keuhkojen toiminta . ABPA:ta esiintyy myös jopa 7-15 prosentilla kystistä fibroosia sairastavista potilaista. ABPA johtaa huonosti hallittuun astmaan, johon liittyy keuhkojen pahenemisvaiheita ja haitallisia seurauksia; riippuvuus suun kautta otettavista kortikosteroideista lisää sekundaaristen infektioiden riskiä . Harvoissa tapauksissa ABPA-taudin on raportoitu komplisoivan myös muita keuhkosairauksia, kuten idiopaattista bronkiektasiaa, kroonista obstruktiivista keuhkosairautta (COPD) ja kroonista granulomatoottista tautia . Lisäksi ABPA-tautia on raportoitu myös potilailla, joilla on keuhkoaspergillooma ja krooninen nekrotisoiva keuhkoaspergilloosi (ks. artikkeli ). ABPA:n diagnostisiin parametreihin kuuluvat astma, röntgenkuvauksessa esiintyvät ohimenevät keuhkotyhjennykset, keskeinen bronkiektasia, tyypin I ja III yliherkkyys A. fumigatus -antigeeneille (joita käsitellään tarkemmin jäljempänä) ja lisääntynyt perifeerisen veren eosinofilia . ABPA:han kuuluu useita pahenemisvaiheita (akuutteja ja toistuvia) ja remissioita, keskusbronkiektasia, johon liittyy keuhkofibroosia ja mahdollinen hengitysvajaus . Kaikilla ABPA-potilailla ei kuitenkaan eri vaiheissa esiinny näitä diagnostisia kriteerejä, ja jotkin näistä piirteistä ovat päällekkäisiä A. fumigatus -yliherkkyys- ja astmapotilaiden piirteiden kanssa. Diagnostisten parametrien yhtenäisyyttä tarvitaan edelleen ABPA-potilaiden hoitotulosten parantamiseksi.

Sienten patogeneesi & Hengitysteiden puhdistuma

Yleisin ABPA:n patogeneesiin liittyvä altistava tekijä on konidioiden puutteellinen puhdistuma hengitysteissä. Hengitysteiden epiteeli ensimmäisenä puolustuslinjana ulostaa sisäänhengitetyt sieni-itiöt limakalvojen avulla. Epiteelin limakalvopuhdistusta välttelevät sieni-itiöt pääsevät keuhkorakkuloihin, ja siellä asuvat fagosyytit käsittelevät ne. Neutrofiilit tappavat efektorisoluina tehokkaasti itäneet hyfaaliset muodot ei-oksidatiivisten tai oksidatiivisten reaktioiden avulla. Hengitysteiden myelooiset solut tunnistavat sienet myös kuvantunnistusreseptoreiden (PRR), kuten toll-tyyppisten reseptoreiden (TLR) ja Dectin-1:n, kautta ja stimuloivat proinflammatoristen sytokiinien/kemokiinien eritystä. Sienten itiöiden rikkoma synnynnäinen immuunipuolustus on välttämätön niiden itämiselle ja sienivälitteisten allergioiden syntymiselle, sillä lepotilassa olevat konidiat ovat immunologisesti inerttejä . On ajateltu, että itiöiden tehoton puhdistuminen johtuu suurelta osin hengitysteiden epiteelin rakenteellisista poikkeavuuksista, joita havaitaan potilailla, joilla on allerginen astma tai muita kroonisen keuhkosairauden syitä, ja jotka mahdollistavat itiöiden itämisen vegetatiivisiksi soluiksi (hyfeiksi) .

Sienihyfeet erittävät proteaaseja ja toksiineja, jotka vaurioittavat hengitysteiden epiteeliä johtaen tiukkojen yhteyksien menetykseen. Epiteelin vaurioituminen johtaa A. fumigatus -antigeenien lisääntyneeseen altistumiseen keuhkojen dendriittisille soluille (DC), jotka aktivoivat naiiveja Th-soluja Th2-soluiksi, jotka erittävät sytokiineja, kuten IL-4:ää, IL-5:tä ja IL-13:a. Tämä johtaa B-solujen IgE-isotyypin vaihtumiseen, A. fumigatus-spesifisen IgG:n, IgE:n ja IgE:n kokonaismääräisten IgE:n vasta-aineiden lisääntyneeseen erittymiseen ja eosinofiilisten aineiden tulvimiseen keuhkoihin. Tähän mennessä on kuvattu yli 20 A. fumigatuksen allergeenia/antigeenia (http://www.allergen.org). Lisäksi useat kemokiinit, kuten monosyyttikemotaktinen proteiini (MCP-1), RANTES (Regulated on Activation and Normal T-cell expressed), IL-8 ja makrofagien tulehdusproteiini-1α (MIP-1α), joita erittävät fagosyyttiset ja ei-fagosyyttiset solut, ylläpitävät ABPA:n tulehduspatologiaa .

Abbpa:n immunopatogeneesi CF-potilailla: Newer Understanding

CF johtuu mutaatioista kystisen fibroosin transmembraanisen konduktanssin säätelijässä (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, CFTR), jota esiintyy epiteelisolujen apikaalikalvoilla. CFTR:stä tunnetaan yli 1 500 mutaatiota, ja yleisin niistä on fenyylialaniinin deleetio positiossa 508 (ΔF508), joka aiheuttaa CFTR-proteiinin vääränlaisen taittumisen ja pidättymisen endoplasmisessa retikulumissa (ER) . Filamenttisia sieniä eristetään yleisesti CF-potilaiden ysköksistä, ja A. fumigatus on yleisin sienilaji . A. fumigatuksen aiheuttama krooninen astma tai ABPA heikentää CF-potilaiden keuhkojen toimintaa merkittävästi, mikä johtaa huonompaan hoitotulokseen . ABPA:n diagnosointi CF-potilailla on lisäksi merkittävä haaste, sillä diagnostiset kriteerit, kuten keuhkoinfiltraatit, bronkiektasit ja obstruktiivinen keuhkosairaus, ovat yhteisiä piirteitä CF-potilailla, joilla on tai ei ole ABPA:ta.

ABPA:ta sairastavilla tiedetään olevan enemmän CFTR-mutaatioita kuin terveellä väestöllä, mikä viittaa siihen, että CFTR-mutaatiot mahdollisesti vaikuttavat A. fumigatus -itiöiden puhdistumiseen . Käyttämällä keuhkoputkien epiteelisolulinjoja ja primaarisia hiiren henkitorven soluja havaitsimme, että CFTR-mutaatiot / puutos vaikuttavat A. fumigatus -konidioiden sitoutumiseen ja imeytymiseen CF-solujen erilaisten tulehdusvälittäjäaineiden erittymisen kanssa . Tutkimuksissa on raportoitu atsoleilla hoidettujen ABPA-potilaiden parantuneista kliinisistä tuloksista . Lisäksi sienilääkehoito johti myös parempaan keuhkojen toimintaan A. fumigatus -herkistyneillä CF-potilailla . Nämä tutkimukset osoittavat, että A. fumigatus osallistuu aktiivisesti Th2-tyyppisten vasteiden laukaisuun, joka jatkuu CFTR-mutaatioiden yhteydessä .

Monissa tutkimuksissa CF-genotyyppi on yhdistetty sytokiinien säätelyhäiriöihin, ja ne ovat osoittaneet, että immuunivasteet ovat suuntautuneet kohti Th2-tyyppiä, jolloin CF:n epiteelisolut erittävät enenevässä määrin proinflammatorisia sytokiineja . Nämä tutkimukset osoittavat, että CFTR-mutaatiot johtavat sytokiinimiljööseen, joka voi siirtää A. fumigatus -spesifisten CD4+ T-soluvasteiden tasapainoa kohti Th2-vastetta. On myös mahdollista, että CF:n yhteydessä A. fumigatus -spesifisten CD4+ Th2-solujen esiintymistiheys kasvaa. Allardin ym. tutkimukset osoittivat, että naiivien CFTR-puutteisten hiirten T-solut tuottavat enemmän Th2-sytokiineja. Tämä tutkimus osoitti myös, että hiiret, joilla on CFTR-puutos tai mutaatioita, kehittävät syvän Th2-välitteisen vasteen A. fumigatuksen hyfaalisille antigeeneille. Se, että CFTR-mutaatiot säätelevät Th1/Th2-tasapainoa, kävi selväksi myös Mullerin ym. tutkimuksissa, joissa osoitettiin, että rekombinanttisen typistetyn CFTR:n antaminen trakeaalisesti vähentää Th2-sytokiinien ja IgE-vasta-aineiden määrää CFTR-puutteellisessa hiirimallissa, jossa esiintyy ABPA:ta.

Th2-virtauksen mekanismeja ei ole määritetty tarkasti. Epiteelisolujen lisäksi CFTR:ää ilmentävät myös muut immuunisolut, kuten lymfosyytit ja alveolimakrofagit. Di ym. osoittivat, että CFTR-puutteelliset alveolaariset makrofagit eivät läpäise lysosomaalista happamoitumista, mikä saattaa johtaa patogeenisten mikro-organismien kasvulle suotuisaan ympäristöön . CD4+ T-lymfosyyttien CFTR:n puutos johtaa poikkeaviin kalsiumvirtoihin, jotka aiheuttavat aktivoitujen T-solujen ydintekijän (NFAT) lisääntynyttä ydintranslokaatiota, mikä mahdollisesti johtaa Th2-vasteisiin. Hiljattain Kreindler ym. osoittivat, että CF-ABPA-potilaiden Th2-reaktiivisuus oli riippuvainen DC-solujen OX40-ligandin (OX40L) costimulatory molecule OX40 ligand -ekspressiosta, joka väheni, kun D3-vitamiinia lisättiin in vitro . Siten CF-potilailla on monitekijäisiä puutteita sekä keuhkojen synnynnäisessä että adaptiivisessa immuniteetissa patogeenejä vastaan; A. fumigatus -infektion kroonisesta hengitystieinfektiosta johtuva isännän immuniteetin modulaatio johtaa mahdollisesti ABPA:n syntyyn.

Sieni- tekijät ja isännän immuunivaste

Sieniproteaasit

Sieniproteaasien proteaasit ovat voimakkaita allergeeneja, jotka laukaisevat allergisen reaktion keuhkoissa . Aspergillus-lajien tiedetään tuottavan suuria määriä proteaaseja, jotka indusoivat IL-6:n, IL-8:n ja MCP-1:n tuotantoa hengitysteiden epiteelisoluissa; nämä entsyymit myös häiritsevät epiteelin tiukkoja liitoksia ja aiheuttavat solujen hilseilyä . Hiljattain Porter et al. raportoivat, että A. niger -bakteerista peräisin olevat proteaasit aiheuttavat voimakkaan allergisen keuhkosairauden hiirillä .

Viime aikoina on havaittu, että proteaasit aktivoivat proteaasiaktivoituja reseptoreita (PAR). PAR:t ovat G-proteiinikytkentäisiä reseptoreita, joita esiintyy hengitysteiden soluissa ja muissa soluissa, kuten syöttösoluissa, eosinofiileissä, neutrofiileissä, makrofageissa ja lymfosyyteissä . Tähän mennessä on tunnistettu neljä PAR-reseptoria, joista PAR-2 on tärkein allergisessa hengitystiesairaudessa, koska sen ilmentyminen astmapotilaiden hengitysteissä on lisääntynyt . Mielenkiintoista on, että loukkaantuneet hengitysteiden epiteelisolut erittävät myös trypsiiniä, joka on PAR-2:n agonisti ja joka pahentaa allergisia tulehdusreaktioita entisestään. Käyttämällä hiirimalleja PAR-2:n on raportoitu välittävän keuhkojen eosinofiilistä infiltraatiota ja hengitysteiden hyperreaktiivisuutta, mikä viittaa rooliin Th2-välitteisten vasteiden pahentamisessa. Lisäksi PAR-2 edistää fibroosia ja lisääntynyttä IgE-tuotantoa allergisissa sairauksissa (ks. artikkeli ). On myös raportoitu TLR:ien rooli PARs-signaloinnin ja A. fumigatusin aiheuttamien tulehdusvasteiden säätelyssä. Morettin ym. tutkimuksissa raportoitiin, että A. fumigatus -proteaasit edistävät isännän keuhkojen tulehdusreaktioita alentamalla PAR-2:n ilmentymistä TLR-4-riippuvaisen mekanismin avulla . Näin ollen on mahdollista, että hengitysteiden epiteelillä kasvavan A. fumigatusin erittämät proteaasit laukaisevat IgG- ja IgE-välitteisiä allergisia vasteita PAR:ien ja TLR-välitteisten signaalireittien välisestä ristikkäisvaikutuksesta, joka johtaa keuhkokomplikaatioihin, kuten ABPA:han.

Tolerogeenisten mekanismien ohittamista tarvitaan myös Th2-välitteisten allergisten reaktioiden provosoimiseksi astmapotilailla . Kheradmandin ym. tutkimukset osoittivat, että sieniproteaasit kykenevät keskeyttämään hengitysteiden toleranssin, ja hengitysteihin tiputettuna ne voivat aktivoida Th2-välitteisiä allergisia vasteita ilman, että tarvitaan adjuvanttiprimingia . DC-soluilla on myös tärkeä rooli toleranssin ylläpitämisessä keuhkoissa tuottamalla IL-10:tä, joka on immunoregulatorinen sytokiini, joka indusoi TGF-β:tä ilmentävien CD4+ T-säätelysolujen (Treg) kehittymistä. Tuoreessa tutkimuksessa Kriendler ym. osoittivat, että A. fumigatus -bakteerilla kolonisoituneiden, ei-ABPA:ta sairastavien CF-potilaiden kohortin CD4+ T-soluissa oli enemmän TGF-β:tä ilmentäviä Treg-soluja kuin CF-ABPA-potilailla . Tämä tutkimus viittasi siihen, että toleranssi A. fumigatus -antigeenejä vastaan CF-ABPA-potilailla on puutteellinen ja korreloi D-vitamiinin puutteeseen.

Sienten soluseinän komponentit

Sienten soluseinä koostuu pääasiassa polysakkarideista, kuten galaktomannaanista, kitiinistä, α- ja β-glukaaneista . Nyt on hyvin dokumentoitu, että turvonneiden tai itäneiden A. fumigatus -konidioiden soluseinä koostuu β-glukaanista, joka laukaisee Dectin-1-välitteisen tulehdusvasteen . Dectin-1-aktivoituneet DC-solut edistävät Th17- ja Th1-solujen erilaistumista in vivo ja voivat myös muuntaa Treg-soluja Th17-soluiksi . Dektiini-1:n roolia hengitysteiden epiteelisoluissa ei ole tarkkaan määritelty, mutta viimeaikaiset tutkimukset osoittivat Dektiini-1:n pinnan ilmentymistä TLR-2-stimulaation jälkeen mykobakteeri- ja sieniantigeeneillä }. CF:n hengitysteiden epiteelisoluilla on raportoitu olevan vähentynyt TLR-4:n ilmentyminen verrattuna terveisiin henkilöihin, mikä johtaa heikentyneeseen synnynnäiseen immuunivasteeseen P. aeruginosa -infektiota vastaan. On todennäköistä, että isännän geneettinen rakenne määrittää TLR- ja C-tyypin lektiinireseptori(t)-spesifiset immuunivasteet A. fumigatus -soluseinän komponenteille.

Kitiinin on osoitettu indusoivan isännän kitinaaseja A. fumigatus -infektoituneessa marsumallissa, mikä väheni sienilääkityksellä . Hiiret, jotka haastettiin kitiinillä, osoittivat IL-4:ää ilmentävien eosinofiilien ja basofiilien infiltraatiota keuhkoissa; tätä ei tapahtunut kitiinillä, jota esikäsiteltiin happamalla nisäksen kitinaasilla (AMCase), tai AMCasea yliekspressoivilla hiirillä . AMCaasin tiedetään ilmentyvän hiirten hengitysteiden epiteelisoluissa ja alveolaarimakrofageissa, ja sen on raportoitu antavan sienivastaisen immuniteetin kitiiniä sisältäviä organismeja vastaan. Tältä osin Chen et al. raportoivat hiljattain, että AMCase estää in vitro sieni-aktiivisuuden . Siten keuhkojen immuunivaste eri sienikomponenteille voi määrittää lopputuloksen suojaavaksi tai patogeeniseksi.

Host Genetic Susceptibility

Human leukosyyttiantigeenin (HLA) alleelit

Geneettiset tutkimukset ovat osoittaneet, että tiettyjen MHC II -alleelien ilmentyminen voi määrätä ABPA:n kehittymisen tai suojautumisen . HLA-DR2- (DRB1 *1501 ja DRB1 *1503) tai DR5-alleelien esiintymistiheyden on raportoitu olevan korkeampi ABPA-potilailla kuin CF-potilailla tai astmapotilailla, joilla ei ole ABPAa . Tämä ryhmä ehdotti myös HLA-DRB1 *1502:n roolia ABPA:n kehittymisen vastaisena resistenssialleelina. Käyttämällä humanisoituja siirtogeenisiä hiiriä he raportoivat, että A. fumigatus-infektio DRB1*1501- ja DRB1*1503-kannoissa aiheuttaa ABPA:n kaltaista patologiaa, kun taas HLA-DRB1*1502-kanta aiheuttaa suojaavan Th1-tyyppisen vasteen. Nyt on käymässä selväksi, että T-solureseptorin ja MHC-peptidiligandin vuorovaikutuksella on tärkeä rooli immuunivasteiden aktivoitumisen ja Th1/Th2-sytokiinitasapainon säätelyssä .

Surfaktanttiproteiini-A (SP-A) -geenin ja mannaaniin sitoutuvan lektiinin (MBL) polymorfismit

Geneettiset assosiointitutkimukset ovat osoittaneet, että SP-A:n ja MBL:n geenin polymorfismit johtavat taipumukseen sairastua ABPA:han . Saxena et al. osoittivat, että ABPA-potilailla on korkeampi A1660G SP-A2-alleelin esiintyvyys kuin vastaavilla kontrolleilla . Samansuuntaisesti eräässä toisessa tutkimuksessa raportoitiin myös, että ABPA-potilailla on suurempi SP-A2-geenin T-alleelin T1492C ja G-alleelin G1649C esiintyvyys sekä suurempi TT-genotyypin esiintyvyys (71 %) SP-A2-geenin 1492 kohdalla kuin kontrolleilla . Potilailla, joilla oli 1011A MBL-alleeli, havaittiin ABPA:n kliinisiä piirteitä, kuten lisääntynyttä eosinofiliaa, IgE:n kokonaisvasta-aineita ja alhaisempia FEV1-arvoja. Madan ja kollegat ovat raportoineet SP-A/D:n ja MBL:n terapeuttisesta potentiaalista käyttämällä allergisen ja invasiivisen aspergilloosin hiirimalleja (katsaus artikkelissa ). Nämä tutkimukset viittaavat surfaktanttiproteiinien ja lektiinien rooliin A. fumigatusin aiheuttaman tulehduksen ja allergian mahdollisina modulaattoreina.

Sytokiinigeenien polymorfismit

Abpa-potilailla, joilla on ABPA, on korkeampi IL-15 +13689*A -alleelin ja A/A-genotyypin esiintymistiheys ja matalampi TNF-alfa-308*A/A-genotyypin esiintymistiheys . Toisessa tutkimuksessa raportoitiin, että ABPA-potilailla on yhden nukleotidin polymorfismi (SNP) solunulkoisessa IL-4-reseptorin alfassa, ile75val, joka voi johtaa lisääntyneeseen herkkyyteen IL-4-stimulaatiolle . Lisääntynyt A. fumigatus -kolonisaation riski CF-potilailla on yhdistetty IL-10-geenin promoottorin alueella oleviin polymorfismeihin; -1082GG-genotyypin ja A. fumigatus -geenin välillä on merkittävä korrelaatio. fumigatus-kolonisaation ja ABPA:n välillä .

Kitinaasin ja kitinaasin kaltaisten proteiinien polymorfismit

Kitinaasit ovat entsyymejä, joiden tiedetään pilkkovan sienien seinämissä, loisissa, hyönteisissä ja äyriäisissä esiintyvää kitiiniä . Kahdessa nisäkkäiden kitinaasissa eli AMCaasissa ja kitotrisidaasissa (CHIT) sekä kitinaasin kaltaisissa proteiineissa, kuten YKL-40:ssä, esiintyvillä polymorfismeilla on raportoitu olevan tärkeä rooli astma-alttiudessa . AMCase-geenin polymorfismien tiedetään liittyvän astmaan . Myös CHIT1-geenin mutaatioita on raportoitu SAFS-potilailla, ja ne voivat olla myös ABPA:n riskitekijä . On myös osoitettu, että korkea homealtistus voi merkittävästi muuttaa CHIT1-geenin SNP:iden vaikutusta vakaviin astman pahenemisvaiheisiin, jotka johtavat lisääntyneisiin sairaalahoitojaksoihin – esimerkki geenin ja ympäristön vuorovaikutuksesta sairauden lopputuloksen määräävänä tekijänä.