Impatto di Aspergillus fumigatus nelle malattie allergiche delle vie aeree

Funghi e allergia respiratoria

I funghi sono onnipresenti e responsabili di causare un ampio spettro di malattie da ipersensibilità di tipo I-IV. Recenti studi epidemiologici delineano chiaramente il legame tra la sensibilizzazione ai funghi e le esacerbazioni dell’asma allergica, con conseguente aumento della morbilità e della mortalità. Le principali manifestazioni respiratorie causate dai funghi includono le micosi broncopolmonari allergiche (ABPM), l’asma grave con sensibilizzazione ai funghi (SAFS), la polmonite da ipersensibilità, la sinusite da funghi e la rinite allergica. A differenza di altri allergeni (ad esempio il polline), i funghi rappresentano anche un rischio mortale per la polmonite invasiva nei pazienti immunocompromessi, sottolineando ulteriormente il loro impatto significativo sulla salute umana. È ormai chiaro che la patogenesi di malattie come l’asma e l’allergia è determinata dalle interazioni tra ospite, geni e ambiente. In questa recensione, ci concentriamo sul ruolo dei funghi filamentosi nelle malattie allergiche respiratorie, e discutere come i funghi mediano T helper (Th) 2 – malattie allergiche mediate come risultato di interazioni ospite-patogeno che portano in clearance inefficace di spore, e come fattori predisponenti come la genetica ospite determinano i risultati per malattie respiratorie.

Epidemiologia ed esiti

Tra i funghi filamentosi, le specie di Aspergillus sono state fortemente collegate con esacerbazioni di asma e altre malattie respiratorie allergiche. Oltre l’80% delle condizioni legate all’Aspergillus, come l’alveolite allergica estrinseca, l’asma, la sinusite allergica, la polmonite eosinofila cronica, la polmonite da ipersensibilità, la SAFS e l’aspergillosi broncopolmonare allergica (ABPA) sono più frequentemente causate da A. fumigatus. L’ABPA è la manifestazione allergica più complessa causata da A. fumigatus, ed è stata riportata per la prima volta nel Regno Unito da Hinson et al. nel 1952. Altri funghi come Cryptococcus neoformans e Scedosporium apiospermum sono anche associati a manifestazioni cliniche simili ampiamente denominate ABPM.

I metodi diagnostici migliorati e la consapevolezza hanno portato a recenti segnalazioni di una maggiore prevalenza di ABPA in pazienti che soffrono di asma cronica (1-40%) e asma acuta grave (~38%) . La prevalenza di ipersensibilità ad A. fumigatus è ancora più alta nei pazienti con asma acuta grave (~51%). I pazienti asmatici sensibilizzati all’A. fumigatus sono stati segnalati per avere una funzione polmonare più povera. L’ABPA è anche prevalente nel 7-15% dei pazienti con fibrosi cistica (CF). L’ABPA porta ad un asma scarsamente controllato con esacerbazioni polmonari e conseguenze dannose; la dipendenza da corticosteroidi orali aumenta il rischio di infezioni secondarie. In rari casi, la malattia ABPA è stata segnalata anche per complicare altre malattie polmonari tra cui la bronchiectasia idiopatica, la broncopneumopatia cronica ostruttiva (COPD) e la malattia granulomatosa cronica. Inoltre, l’ABPA è stata riportata anche in pazienti con aspergilloma polmonare e aspergillosi polmonare necrotizzante cronica (rivista in ). I parametri diagnostici dell’ABPA includono asma, opacità polmonari fugaci roentgenografiche, bronchiectasie centrali, ipersensibilità di tipo I e III agli antigeni di A. fumigatus (discussi più approfonditamente di seguito) e aumento dell’eosinofilia nel sangue periferico. L’ABPA comprende diversi stadi di esacerbazioni (acute e ricorrenti) e remissioni, bronchiectasie centrali con fibrosi polmonare e una possibile insufficienza respiratoria. Tuttavia, non tutti i pazienti ABPA nelle diverse fasi sviluppano questi criteri diagnostici, e alcune di queste caratteristiche si sovrappongono a quelle dei pazienti asmatici e con ipersensibilità ad A. fumigatus. L’uniformità dei parametri diagnostici è ancora necessaria per migliorare i risultati nei pazienti ABPA.

Patogenesi dei funghi & Clearance delle vie aeree

Il fattore predisponente più comune associato alla patogenesi di ABPA è la clearance difettosa dei conidi nelle vie aeree. L’epitelio delle vie aeree, come prima linea di difesa, espelle le spore fungine inalate attraverso l’azione mucociliare. Le spore fungine che sfuggono alla clearance mucociliare dell’epitelio raggiungono gli alveoli e sono trattate dai fagociti residenti; i neutrofili, come cellule effettrici, uccidono efficacemente le forme ifali germinate attraverso risposte non ossidative o ossidativo-mediate. Le cellule mieloidi delle vie aeree riconoscono anche i funghi attraverso recettori di riconoscimento del modello (PRR) come i recettori toll like (TLR) e Dectin-1, e stimolano la secrezione di citochine/chemochine proinfiammatorie. Una difesa immunitaria innata violata dalle spore fungine è necessaria per la loro germinazione e l’instaurazione di allergie mediate da funghi, poiché i conidi dormienti sono immunologicamente inerti. Si pensa che l’eliminazione inefficace delle spore derivi in gran parte da anomalie strutturali nell’epitelio delle vie aeree, come osservato in pazienti con asma allergica o altre cause di malattia polmonare cronica, permettendo la germinazione delle spore in cellule vegetative (ife).

Le ife fungine secernono proteasi e tossine che danneggiano l’epitelio delle vie aeree, portando alla perdita delle giunzioni strette. Il danno all’epitelio porta ad una maggiore esposizione degli antigeni di A. fumigatus alle cellule dendritiche polmonari (DCs), che innescano le cellule Th ingenue in Th2 che secernono citochine come IL-4, IL-5 e IL-13 che portano alla commutazione dell’isotipo IgE delle cellule B, ad una maggiore secrezione di anticorpi IgG, IgE e IgE totali specifici di A. fumigatus e ad un afflusso eosinofilo polmonare. Più di 20 allergeni/antigeni di A. fumigatus sono stati descritti finora (http://www.allergen.org). Inoltre, diverse chemochine come la proteina chemiotattica dei monociti (MCP-1), Regulated on Activation and Normal T-cell expressed (RANTES), IL-8 e la proteina infiammatoria macrofagica-1α (MIP-1α) secreta dalle cellule fagocitarie e non fagocitarie, perpetuano la patologia infiammatoria dell’ABPA.

Immunopatogenesi dell’ABPA nei pazienti FC: Newer Understandings

La FC è causata da mutazioni nel regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR), presente sulle membrane apicali delle cellule epiteliali. Sono note più di 1.500 mutazioni in CFTR, e la più comune è la delezione della fenilalanina in posizione 508 (ΔF508), che causa il misfolding della proteina CFTR e la ritenzione nel reticolo endoplasmatico (ER). I funghi filamentosi sono comunemente isolati dall’espettorato dei pazienti FC e A. fumigatus è la specie fungina più prevalente. L’asma cronica mediata da A. fumigatus o ABPA nei pazienti FC deteriora significativamente la funzione polmonare portando a risultati peggiori. La diagnosi di ABPA nei pazienti FC rappresenta inoltre una sfida significativa in quanto i criteri diagnostici come gli infiltrati polmonari, le bronchiectasie e la malattia polmonare ostruttiva sono caratteristiche comuni nei pazienti FC con o senza ABPA.

Le persone con ABPA sono note per avere frequenze più elevate di mutazioni CFTR rispetto alla popolazione sana, suggerendo che le mutazioni CFTR potrebbero avere un impatto sulla clearance delle spore di A. fumigatus. Utilizzando le linee cellulari epiteliali bronchiali e le cellule tracheali primarie murine, abbiamo osservato che le mutazioni/deficienze CFTR hanno un impatto sul legame e sull’assorbimento dei conidi di A. fumigatus con una secrezione differenziale di mediatori infiammatori da parte delle cellule CF. Alcuni studi hanno riportato migliori risultati clinici per i pazienti ABPA trattati con azoli. Inoltre, la terapia antifungina ha anche portato a una migliore funzione polmonare nei pazienti FC sensibilizzati all’A. fumigatus. Questi studi indicano che A. fumigatus partecipa attivamente nell’innescare risposte di tipo Th2 che si perpetuano nell’impostazione delle mutazioni CFTR.

Diversi studi hanno collegato il genotipo CF alla disregolazione delle citochine e hanno dimostrato che le risposte immunitarie sono orientate verso il tipo Th2 con una maggiore secrezione di citochine proinfiammatorie da parte delle cellule epiteliali CF. Questi studi indicano che le mutazioni CFTR portano a un milieu di citochine che può spostare l’equilibrio delle risposte delle cellule T CD4+ specifiche per A. fumigatus verso il Th2. È anche possibile che nell’impostazione della CF, ci sia una maggiore frequenza di cellule CD4+ Th2 specifiche di A. fumigatus. Gli studi di Allard et al. hanno dimostrato che le cellule T di topi ingenui con deficit di CFTR producono livelli più elevati di citochine Th2. Questo studio ha anche dimostrato che i topi con deficit di CFTR o mutazioni sviluppano una profonda risposta Th2-mediata agli antigeni ifali di A. fumigatus. Che le mutazioni CFTR regolano l’equilibrio Th1/Th2 è stato ulteriormente evidenziato dagli studi di Muller et al. che hanno dimostrato che la consegna intra-tracheale di CFTR troncato ricombinante riduce i livelli di citochine Th2 e di anticorpi IgE nel modello murino CFTR-deficiente di ABPA. Oltre alle cellule epiteliali, CFTR è espressa anche da altre cellule immunitarie come i linfociti e i macrofagi alveolari. Di et al. hanno dimostrato che i macrofagi alveolari privi di CFTR non riescono a subire l’acidificazione lisosomiale, portando potenzialmente a un ambiente favorevole alla crescita di microrganismi patogeni. La carenza di CFTR sui linfociti T CD4+ porta a flussi di calcio aberranti che causano un aumento della traslocazione nucleare del fattore nucleare delle cellule T attivate (NFAT), possibilmente guidando risposte Th2-biased. Più recentemente, Kreindler et al. hanno dimostrato che la reattività Th2 nei pazienti CF-ABPA dipende dall’espressione della molecola costimolatoria OX40 ligand (OX40L) sui DCs, che diminuisce con l’aggiunta in vitro di vitamina D3. Quindi, i pazienti FC mostrano difetti multifattoriali nell’immunità polmonare innata e adattativa agli agenti patogeni; la modulazione dell’immunità dell’ospite dovuta all’infezione cronica delle vie aeree con A. fumigatus probabilmente porta all’instaurazione dell’ABPA.

Fungi-fattori e risposta immunitaria dell’ospite

Proteasi fungine

Le proteasi fungine sono potenti allergeni, innescando risposte allergiche polmonari. Le specie di Aspergillus sono note per produrre grandi quantità di proteasi che inducono la produzione di IL-6, IL-8 e MCP-1 da parte delle cellule epiteliali delle vie aeree; questi enzimi distruggono anche le giunzioni strette epiteliali e inducono la desquamazione cellulare. Recentemente, Porter et al. hanno riferito che le proteasi derivate da A. niger inducono una robusta malattia polmonare allergica nei topi.

Più recentemente, è stato notato che le proteasi attivano i recettori attivati dalla proteasi (PARs). I PAR sono recettori accoppiati alla proteina G presenti sulle cellule delle vie aeree e su altre cellule come mastociti, eosinofili, neutrofili, macrofagi e linfociti. Ad oggi, sono stati identificati quattro PAR; PAR-2 è il più importante nella malattia allergica delle vie aeree a causa della sua maggiore espressione sulle vie aeree dei pazienti asmatici. È interessante notare che le cellule epiteliali delle vie aeree ferite secernono anche tripsina, un agonista PAR-2 che aggrava ulteriormente le risposte infiammatorie allergiche. Utilizzando modelli murini, è stato riportato che PAR-2 media l’infiltrazione polmonare degli eosinofili e l’iperreattività delle vie aeree, suggerendo un ruolo nell’esacerbare le risposte Th2-mediate. Inoltre, PAR-2 promuove la fibrosi e l’aumento della produzione di IgE nelle malattie allergiche (rivisto in ). È stato anche riportato il ruolo dei TLR nella regolazione della segnalazione di PARs e delle risposte infiammatorie a A. fumigatus. Gli studi di Moretti et al. hanno riportato che le proteasi di A. fumigatus promuovono le risposte infiammatorie polmonari dell’ospite abbassando l’espressione di PAR-2 attraverso un meccanismo TLR-4 dipendente. Pertanto, è possibile che le proteasi secrete da A. fumigatus che cresce sull’epitelio delle vie aeree inneschino risposte allergiche mediate da IgG e IgE attraverso un crosstalk tra PAR e vie di segnalazione mediate da TLR che portano a complicazioni polmonari come ABPA.

Il bypass dei meccanismi tollerogenici è anche necessario per provocare risposte allergiche Th2-mediate in pazienti asmatici. Gli studi di Kheradmand et al. hanno dimostrato che le proteasi fungine hanno la capacità di abortire la tolleranza delle vie aeree e quando instillate nelle vie aeree possono attivare risposte allergiche Th2-mediate senza richiedere un priming adiuvante. Le DC hanno anche un ruolo importante nel mantenimento della tolleranza nei polmoni attraverso la produzione di IL-10, una citochina immunoregolatrice che induce lo sviluppo di TGF-β che esprime cellule T-regolatorie CD4+ (Tregs). In uno studio recente, Kriendler et al. hanno dimostrato che le cellule T CD4+ della coorte di pazienti CF non ABPA colonizzati da A. fumigatus avevano una maggiore frequenza di Tregs che esprimono TGF-β rispetto ai pazienti CF-ABPA. Questo studio ha suggerito che la tolleranza contro gli antigeni di A. fumigatus nei pazienti CF-ABPA è difettosa e correlata alla carenza di vitamina D.

Componenti della parete cellulare dei funghi

La parete cellulare dei funghi è composta principalmente da polisaccaridi come galattomannano, chitina, α- e β-glucani. È ormai ben documentato che la parete cellulare dei conidi di A. fumigatus gonfiati o germinati è composta da β-glucano, che innesca risposte infiammatorie mediate da Dectin-1. I DC attivati da Dectin-1 promuovono la differenziazione delle cellule Th17 e Th1 in vivo e possono anche convertire i Tregs in cellule Th17. Il ruolo di Dectin-1 nelle cellule epiteliali delle vie aeree non è ben definito; tuttavia, studi recenti hanno mostrato l’espressione superficiale di Dectin-1 dopo la stimolazione TLR-2 con micobatteri e antigeni fungini }. È stato riferito che le cellule epiteliali delle vie aeree della FC hanno una ridotta espressione di TLR-4 rispetto ai soggetti sani, il che porta a una ridotta risposta immunitaria innata all’infezione da P. aeruginosa. È probabile che il corredo genetico dell’ospite determini le risposte immunitarie specifiche dei recettori TLR e C-type lectin ai componenti della parete cellulare di A. fumigatus.

È stato dimostrato che la chitina induce la chitinasi dell’ospite in un modello di cavia infettata da A. fumigatus, che è stata ridotta da un trattamento antifungino. I topi sfidati con la chitina hanno dimostrato l’infiltrazione di eosinofili e basofili che esprimono IL-4 nei polmoni; questo non si è verificato con la chitina pretrattata con chitinasi acida di mammifero (AMCase) o nei topi che sovraesprimono AMCase. AMCase è noto per essere espresso da cellule epiteliali delle vie aeree murine e macrofagi alveolari, ed è stato segnalato per impartire immunità anti-fungine contro organismi contenenti chitina. A questo proposito, Chen et al. hanno recentemente riportato l’inibizione in vitro dell’attività fungina da parte di AMCase. Così, la risposta immunitaria polmonare ai vari componenti fungini potrebbe determinare il risultato verso la protezione o il patogeno.

Suscettibilità genetica dell’ospite

Alleli dell’antigene leucocitario umano (HLA)

Studi genetici hanno rivelato che l’espressione di specifici alleli MHC II potrebbe determinare lo sviluppo o la protezione contro ABPA. La frequenza degli alleli HLA-DR2 (DRB1 *1501 e DRB1 *1503) o DR5 è stata riportata come più alta nei pazienti ABPA rispetto alla FC o nei pazienti asmatici senza ABPA. Questo gruppo ha anche suggerito il ruolo di HLA-DRB1 *1502 come allele di resistenza contro lo sviluppo di ABPA. Utilizzando topi transgenici umanizzati, hanno riferito che A. L’infezione da fumigatus nei ceppi DRB1*1501 e DRB1 *1503 causa una profonda patologia ABPA-like, mentre il ceppo HLA-DRB1 *1502 monta una risposta protettiva di tipo Th1. Sta ora diventando chiaro che le interazioni tra il recettore delle cellule T e il peptide ligando MHC giocano un ruolo importante nella regolazione dell’attivazione delle risposte immunitarie e dell’equilibrio delle citochine Th1/Th2.

Polimorfismi del gene della proteina A del surfattante (SP-A) e della lectina legante il mannano (MBL)

Studi di associazione genetica hanno dimostrato che i polimorfismi nel gene SP-A e MBL portano ad una predisposizione a sviluppare ABPA. Saxena et al. hanno dimostrato che i pazienti ABPA hanno una maggiore frequenza dell’allele A1660G SP-A2 rispetto ai controlli corrispondenti. In linea con questo, un altro studio ha anche riportato che i pazienti ABPA hanno una maggiore frequenza dell’allele T a T1492C e l’allele G a G1649C del gene SP-A2, e anche una maggiore frequenza del genotipo TT (71%) a 1492 di SP-A2 rispetto ai controlli. I pazienti con l’allele 1011A MBL sono stati osservati per avere caratteristiche cliniche coerenti con ABPA, come l’eosinofilia aumentata, anticorpi IgE totali e valori FEV1 più bassi. Utilizzando modelli murini di aspergillosi allergica e invasiva, il potenziale terapeutico di SP-A/D e MBL è stato riportato da Madan e colleghi (rivisto in ). Questi studi suggeriscono un ruolo delle proteine del surfattante e delle lectine come possibili modulatori dell’infiammazione e dell’allergia indotte da A. fumigatus.

Polimorfismi del gene delle citochine

I pazienti con ABPA hanno una maggiore frequenza dell’allele IL-15 +13689*A e del genotipo A/A con una minore frequenza del genotipo TNF-alpha-308*A/A . Un altro studio ha riportato che i pazienti ABPA hanno un polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) nel recettore extracellulare IL-4 alfa, ile75val, che potrebbe portare ad una maggiore sensibilità alla stimolazione IL-4. L’aumento del rischio di colonizzazione di A. fumigatus nei pazienti FC è stato associato a polimorfismi nella regione promotrice del gene IL-10; esiste una correlazione significativa tra il genotipo -1082GG con la colonizzazione di A. fumigatus e ABPA.

Polimorfismi nelle chitinasi e nelle proteine simili alle chitinasi

Le chitinasi sono enzimi noti per la scissione della chitina presente nelle pareti dei funghi, nei parassiti, negli insetti e nei crostacei. I polimorfismi in due chitinasi dei mammiferi, cioè AMCase e chitotrisidase (CHIT), e le proteine chitinasi-simili come YKL-40 sono state segnalate per svolgere un ruolo importante nella suscettibilità all’asma. I polimorfismi nel gene AMCase sono noti per essere associati all’asma. Mutazioni nel gene CHIT1 sono state riportate anche in pazienti con SAFS e possono anche essere un fattore di rischio per ABPA. E ‘stato anche dimostrato che l’alta esposizione alle muffe può modulare in modo significativo l’effetto di SNPs nel gene CHIT1 sulle esacerbazioni di asma grave che porta ad un aumento dei ricoveri – un esempio di interazioni gene-ambiente come determinante per un esito della malattia.