Wpływ Aspergillus fumigatus w alergicznych chorobach dróg oddechowych

Grzyby i alergia oddechowa

Grzyby są wszechobecne i odpowiedzialne za wywoływanie szerokiego spektrum chorób nadwrażliwości typu I-IV. Ostatnie badania epidemiologiczne wyraźnie podkreślają związek pomiędzy uczuleniem na grzyby a zaostrzeniami astmy alergicznej, co prowadzi do zwiększonej zachorowalności i śmiertelności. Główne manifestacje oddechowe wywołane przez grzyby obejmują alergiczne grzybice oskrzelowo-płucne (ABPM), ciężką astmę z uczuleniem na grzyby (SAFS), zapalenie płuc z nadwrażliwości, grzybicze zapalenie zatok i alergiczny nieżyt nosa. W przeciwieństwie do innych alergenów (np. pyłków roślin), grzyby stwarzają również zagrażające życiu ryzyko inwazyjnego zapalenia płuc u pacjentów z obniżoną odpornością, co dodatkowo podkreśla ich istotny wpływ na zdrowie człowieka. Obecnie wiadomo, że patogeneza chorób takich jak astma i alergia jest determinowana przez interakcje pomiędzy gospodarzem, genami i środowiskiem. W tym przeglądzie koncentrujemy się na roli grzybów strzępkowych w chorobach alergicznych układu oddechowego i omawiamy, w jaki sposób grzyby pośredniczą w chorobach alergicznych z udziałem helperów T (Th) 2 w wyniku interakcji gospodarz-patogen, które prowadzą do nieskutecznego usuwania zarodników, oraz w jaki sposób czynniki predysponujące, takie jak genetyka gospodarza, określają wyniki chorób układu oddechowego.

Epidemiologia i wyniki

Pośród grzybów strzępkowych, gatunki Aspergillus zostały silnie powiązane z zaostrzeniami astmy i innymi chorobami alergicznymi układu oddechowego. Ponad 80% schorzeń związanych z Aspergillus, takich jak zewnątrzpochodne alergiczne zapalenie pęcherzyków płucnych, astma, alergiczne zapalenie zatok, przewlekłe eozynofilowe zapalenie płuc, zapalenie płuc z nadwrażliwości, SAFS i alergiczna aspergiloza oskrzelowo-płucna (ABPA) są najczęściej wywoływane przez A. fumigatus. ABPA jest najbardziej złożoną manifestacją alergiczną wywołaną przez A. fumigatus, i została po raz pierwszy opisana w Wielkiej Brytanii przez Hinsona i wsp. w 1952 roku. Inne grzyby, takie jak Cryptococcus neoformans i Scedosporium apiospermum są również związane z podobnymi objawami klinicznymi szeroko określanymi jako ABPM.

Doskonalsze metody diagnostyczne i świadomość doprowadziły do ostatnich doniesień o większej częstości występowania ABPA u pacjentów cierpiących na przewlekłą astmę (1-40%) i ostrą ciężką astmę (~38%). Częstość występowania nadwrażliwości na A. fumigatus jest jeszcze wyższa u pacjentów z ostrą ciężką astmą (~51%). Wykazano, że pacjenci z astmą uczuleni na A. fumigatus mają gorszą funkcję płuc. ABPA występuje również u 7-15% pacjentów z mukowiscydozą (CF). ABPA prowadzi do słabo kontrolowanej astmy z zaostrzeniami płuc i szkodliwymi następstwami; zależność od doustnych kortykosteroidów zwiększa ryzyko wtórnych zakażeń. W rzadkich przypadkach odnotowano, że choroba ABPA jest również powikłaniem innych chorób płuc, w tym idiopatycznej bronchiektazie, przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP) i przewlekłej chorobie ziarniniakowej. Ponadto, ABPA opisywano również u pacjentów z aspergilloma płucnym i przewlekłą martwiczą aspergilozą płucną (przegląd w ). Parametry diagnostyczne ABPA obejmują astmę, roentgenograficzne przemijające zmiany w płucach, centralną bronchiektazę, nadwrażliwość typu I i typu III na antygeny A. fumigatus (omówione dokładniej poniżej) oraz zwiększoną eozynofilię krwi obwodowej. ABPA obejmuje kilka etapów zaostrzeń (ostrych i nawracających) i remisji, centralną bronchiektazę z włóknieniem płuc i możliwą niewydolnością oddechową. Jednak nie wszyscy pacjenci z ABPA w różnych stadiach spełniają te kryteria diagnostyczne, a niektóre z tych cech pokrywają się z cechami pacjentów z nadwrażliwością na A. fumigatus i astmą. Ujednolicenie parametrów diagnostycznych jest nadal potrzebne dla poprawy wyników leczenia pacjentów z ABPA.

PATOGENEZA GRZYBÓW &Klirens dróg oddechowych

Najczęstszym czynnikiem predysponującym związanym z patogenezą ABPA jest wadliwy klirens konidiów w drogach oddechowych. Nabłonek dróg oddechowych, jako pierwsza linia obrony, usuwa wdychane zarodniki grzybów poprzez działanie rzęsek. Zarodniki grzybów wymykające się śluzówkowatemu oczyszczaniu nabłonka docierają do pęcherzyków płucnych i są zwalczane przez fagocyty; neutrofile, jako komórki efektorowe, skutecznie zabijają kiełkujące formy hyfusów poprzez reakcje nieoksydacyjne lub oksydacyjne. Komórki mieloidalne dróg oddechowych rozpoznają również grzyby poprzez receptory rozpoznające wzór (pattern recognition receptors – PRRs), takie jak receptory toll like (TLRs) i Dectin-1, i stymulują wydzielanie cytokin/chemokin prozapalnych. Naruszenie wrodzonej obrony immunologicznej przez zarodniki grzybów jest wymagane do ich kiełkowania i ustanowienia alergii wywołanych przez grzyby, ponieważ uśpione konidia są immunologicznie obojętne. Uważa się, że nieskuteczne usuwanie zarodników wynika głównie z nieprawidłowości strukturalnych w nabłonku dróg oddechowych, obserwowanych u pacjentów z astmą alergiczną lub innych przyczyn przewlekłej choroby płuc, co pozwala na kiełkowanie zarodników do komórek wegetatywnych (hyphae) .

Grzybicze hyphae wydzielają proteazy i toksyny, które uszkadzają nabłonek dróg oddechowych, co prowadzi do utraty ścisłych połączeń. Uszkodzenie nabłonka prowadzi do zwiększonej ekspozycji antygenów A. fumigatus na płucne komórki dendrytyczne (DCs), które pobudzają naiwne komórki Th do Th2 wydzielające cytokiny takie jak IL-4, IL-5 i IL-13 prowadzące do zmiany izotypu IgE komórek B, zwiększonego wydzielania IgG, IgE i całkowitych przeciwciał IgE specyficznych dla A. fumigatus oraz napływu eozynofilów płucnych. Do tej pory opisano ponad 20 alergenów/antygenów A. fumigatus (http://www.allergen.org). Ponadto kilka chemokin, takich jak białko chemotaktyczne monocytów (MCP-1), białko regulujące aktywację i normalną ekspresję komórek T (RANTES), IL-8 i makrofagowe białko zapalne-1α (MIP-1α), wydzielane przez komórki fagocytujące i niefagocytujące, utrwalają patologię zapalną ABPA.

Immunopatogeneza ABPA u chorych na mukowiscydozę: Newer Understandings

CF jest spowodowana mutacjami w mukowiscydozie transmembranowego regulatora przewodnictwa (CFTR), obecnego na apikalnych błonach komórek nabłonkowych. Znanych jest ponad 1500 mutacji w CFTR, a najczęstszą z nich jest delecja fenyloalaniny w pozycji 508 (ΔF508), która powoduje nieprawidłowe składanie białka CFTR i zatrzymanie go w retikulum endoplazmatycznym (ER). Grzyby strzępkowe są powszechnie izolowane z plwociny pacjentów z mukowiscydozą, a A. fumigatus jest najczęściej występującym gatunkiem grzyba. Wywołana przez A. fumigatus przewlekła astma lub ABPA u chorych na CF znacznie pogarsza czynność płuc, prowadząc do gorszych wyników leczenia. Diagnoza ABPA u pacjentów z CF stanowi ponadto istotne wyzwanie, ponieważ kryteria diagnostyczne, takie jak nacieki płucne, bronchiektazę i obturacyjną chorobę płuc są wspólne cechy u pacjentów z CF z lub bez ABPA.

People with ABPA are known to have higher frequencies of CFTR mutations than the healthy population, suggesting that CFTR mutations possibly impact the clearance of A. fumigatus spores . Wykorzystując linie komórkowe nabłonka oskrzeli i pierwotne komórki tchawicy u myszy, zaobserwowaliśmy, że mutacje/deficyt CFTR wpływają na wiązanie i wychwyt konidiów A. fumigatus z różnym wydzielaniem mediatorów zapalnych przez komórki CF. Badania wykazały poprawę wyników klinicznych u pacjentów z ABPA leczonych azolami. Co więcej, terapia przeciwgrzybicza doprowadziła również do poprawy funkcji płuc u pacjentów z CF uczulonych na A. fumigatus. Badania te wskazują, że A. fumigatus aktywnie uczestniczyć w wyzwalaniu odpowiedzi typu Th2, która utrwala się w ustawieniu mutacji CFTR .

Several badania powiązały genotyp CF do dysregulacji cytokin i wykazały, że odpowiedzi immunologiczne są stronnicze w kierunku typu Th2 ze zwiększonym wydzielaniem cytokin prozapalnych przez komórki nabłonka CF . Badania te wskazują, że mutacje CFTR prowadzą do powstania środowiska cytokinowego, które może przesunąć równowagę odpowiedzi komórek T CD4+ specyficznych dla A. fumigatus w kierunku Th2. Jest również możliwe, że w warunkach CF występuje zwiększona częstość swoistych dla A. fumigatus komórek CD4+ Th2. Badania przeprowadzone przez Allarda i wsp. wykazały, że komórki T pochodzące od naiwnych myszy z niedoborem CFTR wytwarzają wyższe poziomy cytokin Th2. Badania te wykazały również, że myszy z niedoborem lub mutacją CFTR rozwijają głęboką odpowiedź Th2 na antygeny hyfusów A. fumigatus. To, że mutacje CFTR regulują równowagę Th1/Th2 zostało dodatkowo udowodnione w badaniach Muller i wsp., którzy wykazali, że wewnątrztchawicze dostarczanie rekombinowanego skróconego CFTR zmniejsza poziom Th2-cytokin i przeciwciał IgE w mysim modelu ABPA z niedoborem CFTR .

Mechanizmy stronniczości Th2 nie zostały dokładnie określone. Oprócz komórek nabłonkowych, CFTR jest również wyrażany przez inne komórki odpornościowe, takie jak limfocyty i makrofagi pęcherzykowe. Di i wsp. wykazali, że makrofagi pęcherzykowe z niedoborem CFTR nie ulegają zakwaszeniu lizosomalnemu, co potencjalnie może prowadzić do powstania środowiska sprzyjającego rozwojowi drobnoustrojów chorobotwórczych. Niedobór CFTR w limfocytach T CD4+ prowadzi do zaburzeń w przepływie wapnia, powodując zwiększoną translokację jądrowego czynnika aktywowanych komórek T (NFAT), co może prowadzić do odpowiedzi typu Th2. Ostatnio Kreindler i wsp. wykazali, że reaktywność Th2 u pacjentów z CF-ABPA była zależna od ekspresji cząsteczki kostymulującej OX40 ligand (OX40L) na DCs, która zmniejszyła się po dodaniu witaminy D3 in vitro. Tak więc pacjenci z mukowiscydozą wykazują wieloczynnikowe defekty zarówno we wrodzonej, jak i adaptacyjnej odporności płucnej na patogeny; modulacja odporności gospodarza spowodowana przewlekłym zakażeniem dróg oddechowych A. fumigatus może prowadzić do powstania ABPA.

Fungi- Factors and Host Immune Response

Fungal Proteases

Fungal proteases are potentent allergens, triggering pulmonary allergic responses . Wiadomo, że gatunki Aspergillus wytwarzają duże ilości proteaz, które indukują produkcję IL-6, IL-8 i MCP-1 przez komórki nabłonka dróg oddechowych; enzymy te zaburzają również ścisłe połączenia nabłonkowe i indukują łuszczenie się komórek. Ostatnio Porter i wsp. donieśli, że proteazy pochodzące z A. niger wywołują silną alergiczną chorobę płuc u myszy .

Ostatnio zauważono, że proteazy aktywują receptory aktywowane przez proteazy (PARs). PAR są receptorami sprzężonymi z białkiem G, obecnymi na komórkach dróg oddechowych i innych komórkach, takich jak mastocyty, eozynofile, neutrofile, makrofagi i limfocyty. Do tej pory zidentyfikowano cztery PAR; PAR-2 jest najważniejszy w alergicznej chorobie dróg oddechowych ze względu na jego zwiększoną ekspresję w drogach oddechowych pacjentów z astmą. Co ciekawe, uszkodzone komórki nabłonka dróg oddechowych wydzielają również trypsynę, agonistę PAR-2, który dodatkowo nasila alergiczne reakcje zapalne. Na modelach mysich, PAR-2 pośredniczy w nacieku eozynofilów płucnych i nadreaktywności dróg oddechowych, sugerując rolę w nasilaniu odpowiedzi Th2. Ponadto, PAR-2 promuje włóknienie i zwiększoną produkcję IgE w chorobach alergicznych (przegląd w ). Opisano również rolę TLRs w regulacji sygnalizacji PARs i odpowiedzi zapalnej na A. fumigatus. Badania Moretti i wsp. wykazały, że proteazy A. fumigatus promują płucną odpowiedź zapalną gospodarza poprzez obniżenie ekspresji PAR-2 w mechanizmie zależnym od TLR-4. Jest więc możliwe, że proteazy wydzielane przez A. fumigatus rosnące na nabłonku dróg oddechowych wyzwalają odpowiedzi alergiczne IgG i IgE poprzez krzyżowanie się szlaków sygnałowych PARs i TLRs, co prowadzi do powikłań płucnych, takich jak ABPA.

Ominięcie mechanizmów tolerogennych jest również wymagane do wywołania odpowiedzi alergicznych Th2 u chorych na astmę. Badania Kheradmand i wsp. wykazały, że proteazy grzybów mają zdolność do przerywania tolerancji dróg oddechowych i po wprowadzeniu do dróg oddechowych mogą aktywować Th2-zależną odpowiedź alergiczną bez konieczności stosowania adiuwantu priming. DCs odgrywają również ważną rolę w utrzymaniu tolerancji w płucach poprzez produkcję IL-10, cytokiny immunoregulacyjnej, która indukuje rozwój komórek regulatorowych T (Tregs) CD4+ wykazujących ekspresję TGF-β. W jednym z ostatnich badań Kriendler i wsp. wykazali, że komórki T CD4+ pochodzące z kohorty pacjentów z CF skolonizowanych przez A. fumigatus niebędących pacjentami z CF-ABPA miały zwiększoną częstotliwość Tregs wykazujących ekspresję TGF-β w porównaniu z pacjentami z CF-ABPA. Badanie to sugeruje, że tolerancja wobec antygenów A. fumigatus u pacjentów z CF-ABPA jest wadliwa i skorelowana z niedoborem witaminy-D.

Składniki ściany komórkowej grzybów

Ściana komórkowa grzybów składa się głównie z polisacharydów, takich jak galaktomannan, chityna, α- i β-glukany. Jest obecnie dobrze udokumentowane, że ściana komórkowa obrzękniętych lub kiełkujących konidiów A. fumigatus składa się z β-glukanu, który wyzwala pośredniczoną przez Dectin-1 reakcję zapalną. Aktywowane przez Dectin-1 DCs promują różnicowanie komórek Th17 i Th1 in vivo, a także mogą przekształcać Tregs w komórki Th17. Rola Dectin-1 w komórkach nabłonka dróg oddechowych nie jest dobrze zdefiniowana, jednak ostatnie badania wykazały ekspresję powierzchniową Dectin-1 po stymulacji TLR-2 antygenami prątków i grzybów }. Stwierdzono, że komórki nabłonka dróg oddechowych CF mają zmniejszoną ekspresję TLR-4 w porównaniu z osobami zdrowymi, co prowadzi do zmniejszonej wrodzonej odpowiedzi immunologicznej na zakażenie P. aeruginosa. It is likely that the host genetic makeup determines TLR- and C-type lectin receptor(s)-specific immune responses to A. fumigatus cell wall components.

Chitin has been shown to induce host-chitinases in an A. fumigatus-infected guinea pig model which was diminished by an anti-fungal treatment . Myszy zakażone chityną wykazywały infiltrację eozynofilów i bazofili wyrażających IL-4 w płucach; nie wystąpiło to z chityną wstępnie traktowaną kwaśną chitynazą ssaków (AMCase) lub u myszy z nadekspresją AMCase . Wiadomo, że AMCase ulega ekspresji w komórkach nabłonka dróg oddechowych u myszy i makrofagach pęcherzyków płucnych, a także, że nadaje odporność przeciwgrzybiczą organizmom zawierającym chitynę. W tym względzie Chen i wsp. niedawno donieśli o hamowaniu in vitro aktywności grzybów przez AMCase. Tak więc płucna odpowiedź immunologiczna na różne składniki grzybów może determinować wynik w kierunku ochronnym lub patogennym.

Podatność genetyczna gospodarza

Alelelele ludzkiego antygenu leukocytów (HLA)

Badania genetyczne ujawniły, że ekspresja specyficznych alleli MHC II może determinować rozwój lub ochronę przed ABPA. Wykazano, że częstość występowania alleli HLA-DR2 (DRB1 *1501 i DRB1 *1503) lub DR5 jest wyższa u pacjentów z ABPA w porównaniu z CF lub u pacjentów z astmą bez ABPA. Grupa ta zasugerowała również rolę HLA-DRB1 *1502 jako allelu oporności przeciwko rozwojowi ABPA. Wykorzystując humanizowane myszy transgeniczne, stwierdzili, że A. fumigatus w szczepach DRB1*1501 i DRB1 *1503 powoduje głęboką patologię podobną do ABPA, podczas gdy szczep HLA-DRB1 *1502 wywołuje ochronną odpowiedź typu Th1. Obecnie staje się jasne, że interakcje pomiędzy receptorem komórek T a ligandem peptydowym HHC odgrywają ważną rolę w regulacji aktywacji odpowiedzi immunologicznej i równowagi cytokin Th1/Th2.

Polimorfizmy genu białka surfaktantu-A (SP-A) i lektyny wiążącej mannan (MBL)

Badania asocjacji genetycznej wykazały, że polimorfizmy w genie SP-A i MBL prowadzą do predyspozycji do rozwoju ABPA. Saxena i wsp. wykazali, że pacjenci z ABPA mają wyższą częstość występowania allelu A1660G SP-A2 niż dopasowane grupy kontrolne. Zgodnie z tym, inne badanie również wykazało, że pacjenci z ABPA mają zwiększoną częstotliwość występowania allelu T w T1492C i allelu G w G1649C genu SP-A2, a także wyższą częstotliwość występowania genotypu TT (71%) w 1492 genu SP-A2 niż osoby z grupy kontrolnej. U pacjentów z allelem 1011A MBL obserwowano cechy kliniczne zgodne z ABPA, takie jak zwiększona eozynofilia, całkowite przeciwciała IgE oraz niższe wartości FEV1. Wykorzystując modele myszy z alergiczną i inwazyjną aspergilozą, potencjał terapeutyczny SP-A/D i MBL został opisany przez Madana i współpracowników (przegląd w ). Badania te sugerują rolę białek surfaktantu i lektyn jako możliwych modulatorów zapalenia i alergii wywołanych przez A. fumigatus.

Polimorfizmy genów cytokin

Pacjenci z ABPA mają wyższą częstość alleli IL-15 +13689*A i genotyp A/A z niższą częstością genotypu TNF-alfa-308*A/A . Inne badanie wykazało, że u pacjentów z ABPA występuje polimorfizm pojedynczego nukleotydu (SNP) w zewnątrzkomórkowym receptorze IL-4 alfa, ile75val, co może prowadzić do zwiększonej wrażliwości na stymulację IL-4. Zwiększone ryzyko kolonizacji A. fumigatus u chorych na CF wiąże się z polimorfizmami w regionie promotorowym genu IL-10; istnieje istotna korelacja pomiędzy genotypem -1082GG z kolonizacją A. fumigatus i ABPA .

Polimorfizmy w chitynazie i białkach podobnych do chitynazy

Chitynazy są enzymami znanymi z rozszczepiania chityny obecnej w ścianach grzybów, pasożytów, owadów i skorupiaków . Polimorfizmy w dwóch chitynazach u ssaków viz. AMCase i chitotrisidase (CHIT), oraz białkach chitynazopodobnych takich jak YKL-40 zostały zgłoszone jako odgrywające ważną rolę w podatności na astmę. Wiadomo, że polimorfizmy w genie AMCase są związane z astmą. Mutacje w genie CHIT1 zostały również odnotowane u pacjentów z SAFS i mogą być również czynnikiem ryzyka ABPA. Wykazano również, że wysoka ekspozycja na pleśń może znacząco modulować wpływ SNPs w genie CHIT1 na ciężkie zaostrzenia astmy prowadzące do zwiększonej liczby hospitalizacji – jest to przykład interakcji gen-środowisko jako czynnika determinującego wynik choroby .