Impactul lui Aspergillus fumigatus în bolile alergice ale căilor respiratorii

Fungi și alergii respiratorii

Fungii sunt omniprezenți și sunt responsabili pentru provocarea unui spectru larg de boli de hipersensibilitate de tip I-IV. Studii epidemiologice recente evidențiază în mod clar legătura dintre sensibilizarea la ciuperci și exacerbările astmului alergic, ceea ce duce la creșterea morbidității și mortalității . Manifestările respiratorii majore cauzate de ciuperci includ micozele bronhopulmonare alergice (ABPM), astmul sever cu sensibilizare fungică (SAFS), pneumonita de hipersensibilitate, sinuzita fungică și rinita alergică . Spre deosebire de alți alergeni (de exemplu, polenul), ciupercile prezintă, de asemenea, un risc de pneumonie invazivă care pune în pericol viața pacienților imunocompromiși; subliniind și mai mult impactul lor semnificativ asupra sănătății umane. În prezent se înțelege că patogeneza unor boli precum astmul și alergiile este determinată de interacțiunile dintre gazdă, gene și mediu . În această trecere în revistă, ne concentrăm asupra rolului ciupercilor filamentoase în bolile alergice respiratorii și discutăm despre modul în care ciupercile mediază bolile alergice mediate de T helper (Th) 2 ca urmare a interacțiunilor gazdă-patogen care duc la eliminarea ineficientă a sporilor și despre modul în care factorii predispozanți, cum ar fi genetica gazdei, determină rezultatele bolilor respiratorii.

Epidemiologie și rezultate

Printre ciupercile filamentoase, speciile Aspergillus au fost puternic legate de exacerbările astmului și de alte boli alergice respiratorii . Peste 80% din afecțiunile legate de Aspergillus, cum ar fi alveolita alergică extrinsecă, astmul, sinuzita alergică, pneumonia eozinofilică cronică, pneumonita de hipersensibilitate, SAFS și aspergiloza bronhopulmonară alergică (ABPA) sunt cel mai frecvent cauzate de A. fumigatus. ABPA este cea mai complexă manifestare alergică cauzată de A. fumigatus și a fost raportată pentru prima dată în Regatul Unit de Hinson et al. în 1952 . Alte ciuperci, cum ar fi Cryptococcus neoformans și Scedosporium apiospermum, sunt, de asemenea, asociate cu manifestări clinice similare denumite în general ABPM.

Metodele de diagnosticare îmbunătățite și conștientizarea au dus la rapoarte recente privind o prevalență mai mare a ABPA la pacienții care suferă de astm cronic (1-40%) și astm acut sever (~38%) . Prevalența hipersensibilității la A. fumigatus este chiar mai mare la pacienții cu astm acut sever (~51%) . S-a raportat că pacienții astmatici sensibilizați la A. fumigatus au o funcție pulmonară mai slabă . ABPA este, de asemenea, răspândită la până la 7-15% dintre pacienții cu fibroză chistică (FC) . ABPA duce la un astm slab controlat, cu exacerbări pulmonare și consecințe dăunătoare; dependența de corticosteroizi orali crește riscul de infecții secundare . În cazuri rare, s-a raportat că boala ABPA complică și alte boli pulmonare, inclusiv bronșiectazia idiopatică, boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) și boala granulomatoasă cronică . Mai mult, ABPA a fost, de asemenea, raportată la pacienții cu aspergilom pulmonar și aspergiloză pulmonară necrozantă cronică (analizată în ). Parametrii de diagnostic ai ABPA includ astmul, opacitățile pulmonare fugare roentgenografice, bronșiectaziile centrale, hipersensibilitatea de tip I și III la antigenii A. fumigatus (discutată mai în profunzime mai jos) și creșterea eozinofiliei din sângele periferic . ABPA include mai multe stadii de exacerbări (acute și recurente) și remisiuni, bronșiectazii centrale cu fibroză pulmonară și o posibilă insuficiență respiratorie . Cu toate acestea, nu toți pacienții cu ABPA în diferite stadii dezvoltă aceste criterii de diagnostic, iar unele dintre aceste caracteristici se suprapun cu cele ale pacienților cu hipersensibilitate la A. fumigatus și ale pacienților astmatici. Uniformizarea parametrilor de diagnostic este încă necesară pentru îmbunătățirea rezultatelor la pacienții cu ABPA.

Patogenia ciupercilor & Clearance-ul căilor respiratorii

Cel mai frecvent factor predispozant asociat cu patogeneza ABPA este clearance-ul defectuos al conidiilor în căile respiratorii. Epiteliul căilor respiratorii, ca primă linie de apărare, extrude sporii fungici inhalați prin acțiunea mucociliară. Sporii fungici care evită eliminarea mucociliară epitelială ajung în alveole și sunt tratați de fagocitele rezidente; neutrofilele, în calitate de celule efectoare, ucid în mod eficient formele hifalice germinate prin răspunsuri non-oxidative sau mediate de oxidare. Celulele mieloide din căile respiratorii recunosc, de asemenea, ciupercile prin intermediul receptorilor de recunoaștere a tiparelor (PRRs), cum ar fi receptorii toll like (TLRs) și Dectin-1, și stimulează secreția de citokine/chemokine proinflamatorii . Este necesară o încălcare a apărării imunitare înnăscute de către sporii fungici pentru germinarea acestora și stabilirea alergiilor mediate de ciuperci, deoarece conidiile latente sunt inerte din punct de vedere imunologic . Se crede că eliminarea ineficientă a sporilor rezultă în mare parte din anomalii structurale ale epiteliului căilor respiratorii, așa cum se observă la pacienții cu astm alergic sau alte cauze de boli pulmonare cronice, permițând germinarea sporilor în celule vegetative (hifă) .

Hifele fungice secretă proteaze și toxine care deteriorează epiteliul căilor respiratorii, ceea ce duce la pierderea joncțiunilor strânse. Deteriorarea epiteliului duce la o expunere crescută a antigenelor A. fumigatus la celulele dendritice pulmonare (DC), care pregătesc celulele Th naive pentru Th2 care secretă citokine precum IL-4, IL-5 și IL-13, ceea ce duce la schimbarea izotipului IgE al celulelor B, la o secreție crescută de anticorpi IgG, IgE și IgE totale specifice A. fumigatus și la un aflux eozinofilic pulmonar. Până în prezent au fost descriși mai mult de 20 de alergeni/antigeni ai A. fumigatus (http://www.allergen.org). Mai mult, mai multe chemokine, cum ar fi Monocyte Chemotactic protein (MCP-1), Regulated on Activation and Normal T-cell expressed (RANTES), IL-8 și macrophage inflammatory protein-1α (MIP-1α) secretate de celulele fagocitare și ne-fagocitare, perpetuează patologia inflamatorie a ABPA .

Imunopatogenia ABPA la pacienții cu FC: Newer Understandings

CF este cauzată de mutații în regulatorul de conductanță transmembranară a fibrozei chistice (CFTR), prezent pe membranele apicale ale celulelor epiteliale. Sunt cunoscute peste 1.500 de mutații în CFTR, iar cea mai frecventă este deleția fenilalaninei la poziția 508 (ΔF508), care determină o pliere greșită a proteinei CFTR și reținerea în reticulul endoplasmatic (ER) . Ciupercile filamentoase sunt frecvent izolate din sputa pacienților cu FC, iar A. fumigatus este cea mai răspândită specie fungică . Astmul cronic mediat de A. fumigatus sau ABPA la pacienții cu FC deteriorează semnificativ funcția pulmonară, ceea ce duce la rezultate mai slabe . Diagnosticul ABPA la pacienții cu FC reprezintă o provocare semnificativă, deoarece criteriile de diagnostic, cum ar fi infiltratele pulmonare, bronșiectaziile și boala pulmonară obstructivă, sunt caracteristici comune la pacienții cu FC cu sau fără ABPA.

Se știe că persoanele cu ABPA au frecvențe mai mari de mutații CFTR decât populația sănătoasă, ceea ce sugerează că mutațiile CFTR pot avea un impact asupra eliminării sporilor de A. fumigatus . Utilizând liniile de celule epiteliale bronșice și celulele traheale murine primare, am observat că mutațiile/deficiența CFTR au un impact asupra legării și absorbției conidiilor de A. fumigatus cu secreție diferențiată de mediatori inflamatori de către celulele CF . Studiile au raportat rezultate clinice îmbunătățite pentru pacienții cu ABPA tratați cu azoli . Mai mult, terapia antifungică a condus, de asemenea, la o mai bună funcție pulmonară la pacienții cu FC sensibilizați la A. fumigatus . Aceste studii indică faptul că A. fumigatus participă în mod activ la declanșarea răspunsurilor de tip Th2 care se perpetuează în cadrul mutațiilor CFTR .

Diverse studii au legat genotipul FC de dereglarea citokinelor și au arătat că răspunsurile imune sunt înclinate spre tipul Th2 cu o secreție crescută de citokine proinflamatorii de către celulele epiteliale FC . Aceste studii indică faptul că mutațiile CFTR conduc la un mediu de citokine care poate schimba echilibrul răspunsurilor celulelor T CD4+ specifice A. fumigatus spre Th2. Este, de asemenea, posibil ca, în contextul FC, să existe o frecvență crescută a celulelor Th2 CD4+ specifice A. fumigatus. Studiile efectuate de Allard et al. au arătat că celulele T de la șoarecii naivi cu deficit de CFTR produc niveluri mai ridicate de citokine Th2 . Acest studiu a demonstrat, de asemenea, că șoarecii cu deficiență CFTR sau cu mutații CFTR dezvoltă un răspuns profund mediat de Th2 la antigenii hifalici ai A. fumigatus. Faptul că mutațiile CFTR reglează echilibrul Th1/Th2 a fost evidențiat și mai mult de studiile lui Muller et al. care au demonstrat că administrarea intratraheală de CFTR recombinant trunchiat reduce nivelurile de citokine Th2 și de anticorpi IgE în modelul de șoarece cu deficit de CFTR de ABPA.

Mecanismele de polarizare Th2 nu au fost definite cu precizie. În afară de celulele epiteliale, CFTR este exprimată și de alte celule imune, cum ar fi limfocitele, și macrofagele alveolare. Di et al. au demonstrat că macrofagele alveolare cu deficit de CFTR nu reușesc să se supună acidificării lizozomale, ceea ce poate duce la un mediu propice pentru dezvoltarea microorganismelor patogene . Deficiența CFTR la nivelul limfocitelor T CD4+ duce la fluxuri aberante de calciu care determină o translocare nucleară crescută a factorului nuclear al celulelor T activate (NFAT), ceea ce poate determina răspunsuri cu tendință Th2 . Cel mai recent, Kreindler și colab. au demonstrat că reactivitatea Th2 la pacienții cu CF-ABPA a fost dependentă de expresia moleculei costimulatoare OX40 ligand (OX40L) pe DCs, care a scăzut la adăugarea in vitro de vitamina D3 . Astfel, pacienții cu fibroză chistică prezintă defecte multifactoriale atât în imunitatea pulmonară înnăscută, cât și adaptivă la agenții patogeni; modulația imunității gazdei datorată infecției cronice a căilor respiratorii cu A. fumigatus duce, probabil, la instalarea ABPA.

Fungii – factori și răspunsul imunitar al gazdei

Proteaze fungice

Proteazele fungice sunt alergeni puternici, declanșând răspunsuri alergice pulmonare . Se știe că speciile de Aspergillus produc cantități mari de proteaze care induc producția de IL-6, IL-8 și MCP-1 de către celulele epiteliale ale căilor respiratorii; aceste enzime perturbă, de asemenea, joncțiunile strânse epiteliale și induc descuamarea celulară . Recent, Porter și colab. au raportat că proteazele derivate din A. niger induc o boală pulmonară alergică robustă la șoareci .

Mai recent, s-a observat că proteazele activează receptorii activați de protează (PAR). PARs sunt receptori cuplați cu proteina G prezenți pe celulele căilor respiratorii și alte celule, cum ar fi mastocitele, eozinofilele, neutrofilele, macrofagele și limfocitele . Până în prezent, au fost identificați patru PAR; PAR-2 este cel mai important în boala alergică a căilor respiratorii datorită expresiei sale crescute pe căile respiratorii ale pacienților astmatici . Este interesant faptul că celulele epiteliale ale căilor respiratorii lezate secretă, de asemenea, tripsină, un agonist PAR-2 care agravează și mai mult răspunsurile inflamatorii alergice. Utilizând modele murine, s-a raportat că PAR-2 mediază infiltrarea eozinofilică pulmonară și hiperreactivitatea căilor respiratorii, sugerând un rol în exacerbarea răspunsurilor mediate de Th2 . Mai mult, PAR-2 promovează fibroza și creșterea producției de IgE în bolile alergice (revizuit în ). S-a raportat, de asemenea, rolul TLR-urilor în reglarea semnalizării PARs și a răspunsurilor inflamatorii la A. fumigatus. Studiile efectuate de Moretti et al. au raportat că proteazele A. fumigatus promovează răspunsurile inflamatorii pulmonare ale gazdei prin reducerea expresiei PAR-2 printr-un mecanism dependent de TLR-4 . Astfel, este posibil ca proteazele secretate de A. fumigatus care se dezvoltă pe epiteliul căilor respiratorii să declanșeze răspunsuri alergice mediate de IgG și IgE prin încrucișarea dintre PARs și căile de semnalizare mediate de TLRs, ceea ce duce la complicații pulmonare precum ABPA.

Depășirea mecanismelor tolerogene este, de asemenea, necesară pentru a provoca răspunsuri alergice mediate de Th2 la pacienții cu astm . Studiile efectuate de Kheradmand și colab. au arătat că proteazele fungice au capacitatea de a întrerupe toleranța căilor respiratorii și, atunci când sunt instilate în căile respiratorii, pot activa răspunsurile alergice mediate de Th2 fără a necesita o amorsare adjuvantă . DCs au, de asemenea, un rol important în menținerea toleranței în plămâni prin producerea de IL-10, o citokină imunoreglementatoare care induce dezvoltarea de celule T-regulatoare CD4+ (Tregs) care exprimă TGF-β . Într-un studiu recent, Kriendler și colab. au arătat că celulele T CD4+ din cohorta de pacienți cu FC care nu au fost colonizați de A. fumigatus și care nu au fost colonizați de A. fumigatus au avut o frecvență crescută de Tregs care exprimă TGF-β în comparație cu pacienții cu FC-ABPA . Acest studiu a sugerat că toleranța împotriva antigenelor A. fumigatus la pacienții cu CF-ABPA este defectuoasă și corelată cu deficitul de vitamina D.

Componente ale peretelui celular fungic

Peretele celular fungic este compus în principal din polizaharide, cum ar fi galactomananul, chitina, α- și β-glucani . În prezent este bine documentat faptul că peretele celular al conidiilor umflate sau germinate de A. fumigatus este compus din β-glucan, care declanșează răspunsuri inflamatorii mediate de Dectin-1 . DC activate de Dectin-1 promovează diferențierea celulelor Th17 și Th1 in vivo și pot, de asemenea, transforma Tregs în celule Th17 . Rolul Dectin-1 în celulele epiteliale ale căilor respiratorii nu este bine definit; cu toate acestea, studii recente au arătat expresia de suprafață a Dectin-1 după stimularea TLR-2 cu micobacterii și antigene fungice }. S-a raportat că celulele epiteliale ale căilor respiratorii din FC au o expresie redusă a TLR-4 în comparație cu subiecții sănătoși, ceea ce duce la răspunsuri imune înnăscute reduse la infecția cu P. aeruginosa . Este probabil ca structura genetică a gazdei să determine răspunsurile imune specifice ale receptorilor TLR și ale receptorilor de lectină de tip C la componentele peretelui celular al lui A. fumigatus.

S-a demonstrat că chitina induce chitinaza gazdei într-un model de cobai infectat cu A. fumigatus, care a fost diminuată de un tratament antifungic . Șoarecii provocați cu chitină au demonstrat infiltrarea în plămâni a eozinofilelor și bazofilelor care exprimă IL-4; acest lucru nu a avut loc cu chitină pretratată cu chitinaza acidă de mamifere (AMCase) sau la șoarecii care supraexprimă AMCase . Se știe că AMCase este exprimată de celulele epiteliale ale căilor respiratorii murine și de macrofagele alveolare și s-a raportat că transmite imunitate antifungică împotriva organismelor care conțin chitină . În acest sens, Chen și colab. au raportat recent inhibarea in vitro a activității fungice de către AMCase . Astfel, răspunsul imunitar pulmonar la diferite componente fungice ar putea determina rezultatul spre protector sau patogen.

Susceptibilitate genetică a gazdei

Aleleele antigenului leucocitar uman (HLA)

Studiile genetice au arătat că expresia unor alele MHC II specifice ar putea determina dezvoltarea sau protecția împotriva ABPA . S-a raportat că frecvența alelelor HLA-DR2 (DRB1 *1501 și DRB1 *1503) sau DR5 este mai mare la pacienții cu ABPA în comparație cu FC sau la pacienții astmatici fără ABPA . Acest grup a sugerat, de asemenea, rolul HLA-DRB1 *1502 ca fiind o alelă de rezistență împotriva dezvoltării ABPA. Folosind șoareci transgenici umanizați, aceștia au raportat că A. fumigatus la tulpinile DRB1*1501 și DRB1 *1503 provoacă o patologie profundă de tip ABPA, în timp ce tulpina HLA-DRB1 *1502 prezintă un răspuns protector de tip Th1 . În prezent, devine clar că interacțiunile dintre receptorul celulelor T și ligandul peptidic MHC joacă un rol important în reglarea activării răspunsurilor imune și a echilibrului citokinelor Th1/Th2 .

Primorfismele genei proteinei surfactante-A (SP-A) și ale lectinei de legare a mananului (MBL)

Studiile de asociere genetică au arătat că polimorfismele în gena SP-A și MBL duc la o predispoziție la dezvoltarea ABPA . Saxena și colab. au arătat că pacienții cu ABPA au o frecvență mai mare a alelei A1660G SP-A2 decât controalele potrivite . În concordanță cu acest lucru, un alt studiu a raportat, de asemenea, că pacienții ABPA au o frecvență crescută a alelei T la T1492C și a alelei G la G1649C a genei SP-A2 și, de asemenea, o frecvență mai mare a genotipului TT (71%) la 1492 a SP-A2 decât controalele . S-a observat că pacienții cu alela 1011A MBL aveau caracteristici clinice compatibile cu ABPA, cum ar fi eozinofilie crescută, anticorpi IgE totali și valori mai mici ale FEV1 . Folosind modele murine de aspergiloză alergică și invazivă, potențialul terapeutic al SP-A/D și MBL a fost raportat de Madan și colegii săi (revizuit în ). Aceste studii sugerează un rol al proteinelor surfactante și al lectinelor ca posibili modulatori ai inflamației și alergiei induse de A. fumigatus.

Primorfismele genice ale citokinelor

Pacienții cu ABPA au o frecvență mai mare a alelei IL-15 +13689*A și a genotipului A/A, cu o frecvență mai mică a genotipului TNF-alfa-308*A/A . Un alt studiu a raportat că pacienții cu ABPA au un polimorfism de un singur nucleotid (SNP) în receptorul extracelular IL-4 alfa, ile75val, care ar putea duce la o sensibilitate crescută la stimularea IL-4 . Riscul crescut de colonizare cu A. fumigatus la pacienții cu FC a fost asociat cu polimorfismele din regiunea promotoare a genei IL-10; există o corelație semnificativă între genotipul -1082GG și A. fumigatus. fumigatus și colonizarea cu ABPA .

Polimorfisme în chitinaza și proteinele asemănătoare chitinazei

Chitinazele sunt enzime cunoscute pentru a scinda chitina prezentă în pereții fungilor, paraziților, insectelor și crustaceelor . S-a raportat că polimorfismele în două chitinaze de mamifere, și anume AMCase și chitotrisidaza (CHIT), și proteine asemănătoare chitinazei, cum ar fi YKL-40, joacă un rol important în susceptibilitatea la astm . Polimorfismele din gena AMCase sunt cunoscute ca fiind asociate cu astmul . Mutațiile în gena CHIT1 au fost, de asemenea, raportate la pacienții cu SAFS și pot fi, de asemenea, un factor de risc pentru ABPA . S-a demonstrat, de asemenea, că o expunere ridicată la mucegai poate modula în mod semnificativ efectul SNP-urilor din gena CHIT1 asupra exacerbărilor severe ale astmului, ceea ce duce la creșterea numărului de spitalizări – un exemplu de interacțiuni gen-mediu ca factor determinant pentru un rezultat al bolii .

.