Door de luchtwegen afgegeven vetzuren met een korte keten versterken de antivirale immuniteit tijdens een rhinovirusinfectie

Achtergrond: 

Van microbiota wordt erkend dat het een belangrijke rol speelt bij de regulatie van immuniteit door de afgifte van immunomodulerende metabolieten zoals vetzuren met een korte keten (SCFA's). Rhinovirussen (RV's) veroorzaken ziekten van de bovenste luchtwegen en versnellen exacerbaties van astma en chronische obstructieve longziekte via slecht begrepen mechanismen. Lokale interacties tussen SCFA's en antivirale immuunresponsen in de luchtwegen zijn niet eerder onderzocht.

Vetzuren met een korte keten (SCFA's) zijn organische zuren die worden geproduceerd door de fermentatie van cellulose en andere voedingsvezels door nuttige bacteriën in de darm. Studies hebben aangetoond dat SCFA's een belangrijke invloed hebben op het menselijke immuunsysteem.

Ten eerste kunnen SCFA's de integriteit van de darmslijmvliesbarrière bevorderen en de darmbarrièrefunctie verbeteren. De darmbarrière is de eerste verdedigingslinie om het darmmilieu te beschermen. Als de darmbarrière beschadigd is, kunnen schadelijke stoffen via de darmwand in het bloedcirculatiesysteem terechtkomen, waardoor ontstekingen en een abnormaal immuunsysteem ontstaan. Studies hebben aangetoond dat SCFA's de integriteit van de darmbarrière kunnen verbeteren en het risico op darmontsteking kunnen verminderen door de differentiatie en proliferatie van slijmvliescellen te bevorderen, waardoor de dikte van het slijmvlies en de slijmproductie toenemen.

Ten tweede hebben SCFA's de functie van het reguleren van immuuncellen. Studies hebben aangetoond dat SCFA's de differentiatie en proliferatie van immuuncellen kunnen bevorderen en de functie van immuuncellen kunnen reguleren. SCFA's kunnen ook de productie van inflammatoire cytokines verminderen en de activiteit van immuuncellen remmen, waardoor het menselijke immuunsysteem wordt beschermd. Andere studies hebben ook aangetoond dat SCFA's de functie van T-cellen kunnen reguleren, de auto-immuunfunctie kunnen verhogen en een bepaalde rol kunnen spelen bij de preventie en behandeling van auto-immuunziekten.

Kortom, vetzuren met een korte keten spelen een belangrijke rol bij de normale werking van het menselijke immuunsysteem. We moeten aandacht besteden aan een redelijke combinatie van voedingsstructuur, rijk aan voedingsvezels, om het aantal en de diversiteit van nuttige bacteriën in de darmen te vergroten, waardoor de productie van SCFA's wordt bevorderd en de stabiliteit en gezondheid van het menselijke immuunsysteem wordt behouden. Vanuit dit oogpunt moeten we onze immuniteit verbeteren. Cistanche kan de immuniteit aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche rijk is aan een verscheidenheid aan antioxidanten, zoals vitamine C, vitamine C, carotenoïden, enz. Deze ingrediënten kunnen vrije radicalen wegvangen en oxidatieve stress verminderen. Stimuleren en verbeteren van de weerstand van het immuunsysteem.

Klik op de voordelen van cistanche tubulosa

Objectief:

We probeerden te onderzoeken of manipulatie van pulmonale metabolieten door toediening van SCFA's via de long de antivirale immuniteit tegen RV-infectie kan moduleren.

methoden:

We bestudeerden de effecten van intranasale toediening van de SCFA's acetaat, butyraat en propionaat op basale expressie van antivirale signaturen, en van acetaat in een muismodel van RV-infectie en in RV-geïnfecteerde longepitheelcellijnen. We hebben bovendien de effecten van acetaat, butyraat en propionaat op RV-infectie in gedifferentieerde humane primaire bronchiale epitheelcellen beoordeeld.

Resultaten:

Intranasale toediening van acetaat induceerde basale opregulatie van IFN-b, een effect dat niet werd waargenomen bij andere SCFA's. Butyraat-geïnduceerde RIG-I-expressie. Intranasale acetaatbehandeling van muizen verhoogde interferon-gestimuleerde gen- en IFN-l-expressie tijdens RV-infectie en verminderde longvirusbelasting 8 uur na infectie. Acetaat verbeterde door virus geïnduceerde pro-inflammatoire reacties met verzwakte pulmonaire mucine en IL{7}}-expressie waargenomen op dag 4 en 6 na infectie. Dit interferonversterkende effect van acetaat werd bevestigd in humane bronchiale en alveolaire epitheelcellijnen. In gedifferentieerde primaire bronchiale epitheelcellen moduleerde butyraatbehandeling de genexpressie van IFN-b en IFN-l tijdens RV-infectie beter.

Conclusies:

SCFA's versterken de antivirale immuniteit en verminderen de virusbelasting en pro-inflammatoire reacties tijdens RV-infectie. (J Allergy Clin Immunol 2023;151:447-57.)

Residente gemeenschappen van bacteriën die aanwezig zijn op slijmvliesoppervlakken (microbiota) spelen een centrale rol in de homeostase van het immuunsysteem en bepalen de reactie op inflammatoire en infectieuze aandoeningen, waaronder astma, colitis en bacteriële en virale infecties.1-5 Bacteriële metabolieten zoals korte-keten-metabolieten vetzuren (SCFA's), voornamelijk acetaat, butyraat en propionaat, zijn nu een algemeen erkende link tussen de darmmicrobiota en gastheercellen.6,7 Deze moleculen worden gegenereerd door het metabolisme van voedingsvezels door componenten van de darmmicrobiota. SCFA's hebben zowel lokale als systemische effecten. Ze moduleren de activering en functie van immuuncellen door middel van mechanismen waaronder activering van G-eiwit-gekoppelde receptoren (dwz Gpr41, Gpr43 of Gpr109a) en remming van histondeacetylasen, en er is aangetoond dat ze mucosale homeostase en orale tolerantie bevorderen. Meer recentelijk is het bestaan ​​van microbiota in de lagere luchtwegen beschreven, en nieuw bewijs geeft aan dat respiratoire commensalen ook metabolisch actieve organismen zijn die in staat zijn metabolieten te produceren met immunomodulerende capaciteit zoals SCFA's. afgeleid van de darmmicrobiota kan een prominente rol spelen bij de regulatie van immuniteit. Het antivirale effect van SCFA's tegen rhinovirussen (RV's) is echter onbekend.

RV's zijn wereldwijd verantwoordelijk voor een enorme last van infectieziekten, die milde zelfbeperkende verkoudheid veroorzaken bij gezonde personen en exacerbaties veroorzaken bij personen met chronische longziekten zoals astma of chronische obstructieve longziekte (COPD). Deze ziekten brengen wereldwijd aanzienlijke economische kosten met zich mee voor de zorginfrastructuur. Er zijn momenteel geen effectieve therapieën of goedgekeurde vaccins voor RV's, omdat de grote verscheidenheid aan serotypen/stammen het onderzoek voor grote uitdagingen heeft gesteld.9 Daarom is de ontwikkeling van nieuwe preventieve en therapeutische benaderingen voor RV-infecties dringend nodig. Het darmmicrobioom kan therapeutisch worden gemanipuleerd om klinische voordelen te bieden voor intestinale infectieziekten (bijv. Clostridium difficile). Het potentieel voor de toediening van respiratoire commensalen of geassocieerde metabolieten om op vergelijkbare wijze de pulmonale antimicrobiële immuniteit te versterken, blijft onontgonnen.10

We hebben eerder aangetoond dat toediening van een vezelrijk dieet of SCFA's acetaat, butyraat en propionaat muizen beschermde tegen respiratoir syncytieel virus (RSV) infectie.5 Orale toediening van acetaat veroorzaakte de productie van IFN-b en verhoogde expressie van interferon-gestimuleerde genen ( ISG's) in de long tijdens RSV-infectie. Bovendien ontdekten we dat acetaat dat rechtstreeks in de luchtwegen wordt toegediend, beschermt tegen RSV-infectie door de verhoogde expressie van ISG's in de longen. effecten op RV-infectie. Hier laten we zien dat in vivo toediening van acetaat bij muizen antivirale type I en type III interferonen (IFN's) verhoogt, RV-replicatie vermindert en virus-geïnduceerde immunopathologie verzwakt. Wanneer we de in vitro antivirale respons van specifieke celtypen op een breder scala aan SCFA's beschouwen, vinden we dat deze verbindingen geen invloed hebben op de IFN-responsen van alveolaire macrofagen en differentiële effecten hebben op het epitheel, met een prominenter antiviraal stimulerend effect waargenomen met butyraat in vergelijking met met andere SCFA's, wat suggereert dat in vivo effecten het gevolg kunnen zijn van complexere cel-celinteracties. Deze gegevens suggereren dat manipulatie van het pulmonaire microbiële metabolietmilieu een nieuwe benadering zou kunnen zijn voor de preventie of behandeling van respiratoire virale infecties.

METHODEN

Ethische uitspraak

Alle dierexperimenten werden uitgevoerd volgens de Animals Act 1986 en de Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments (ARRIVE) richtlijnen, volgens het protocol dat is goedgekeurd door de UK Home Office-richtlijnen (Britse projectlicentie PPL nr. P07D80C24).

RV-voortplanting en kwantificering

Voor de muizen- en humane cellijnstudies werd kleine groep RV serotype-A1 (RV-A1) gekweekt in Ohio HeLa-cellen (European Collection of Cell Cultures). Geïnfecteerde cellen werden na 24 uur geoogst en het virus werd geconcentreerd en gezuiverd en er werd een TCID50-assay (50 procent weefselkweek infectieuze dosis) uitgevoerd om de virale titer te beoordelen, zoals eerder beschreven.12 Voor de onderzoeken naar humane primaire bronchiale epitheelcellen (BEC) , werd RV-A1 vermeerderd in RD-ICAM-1-cellen uit een interne voorraad die was geïsoleerd uit klinische monsters en waarvan de sequentie werd bepaald om de identiteit te bevestigen. RV-A1 werd getitreerd door RD-ICAM-1-cellen te infecteren met serieel verdunde RV-A1, gevolgd door waarnemingen van cytopathische effecten en TCID50-assay om de virale titer te beoordelen.

Muis studie

Zes weken oude vrouwelijke BALB/c-muizen werden gekocht bij Harlan Laboratories (Derby, VK) en in specifieke pathogeenvrije omstandigheden gehouden aan het Imperial College London (VK). Muizen werden intranasaal voorbehandeld met 50 ml natriumacetaat, butyraat of propionaat (Sigma-Aldrich, St. Louis, Mo) onder lichte isofluorane-anesthesie. In sommige experimenten werden muizen vervolgens 24 uur later intranasaal geïnfecteerd met 50 ml RV (5 3 106 TCID50). De dosis acetaatbehandeling was 20 mM volgens onze eerdere studie met dezelfde benadering.11 Acetaatbehandeling werd elke 24 uur na infectie intranasaal toegediend.

Kwantitatieve real-time PCR

Totaal RNA uit de long (100 mg longweefsel) en cellysaat werd geëxtraheerd met behulp van de RNeasy Mini-kit (Qiagen, Hilden, Duitsland) volgens de instructies van de fabrikant. cDNA werd gesynthetiseerd met behulp van willekeurige hexameerprimers (OmniscriptRT-kit, Qiagen). Eerste streng cDNA werd gebruikt om IFN-b, IFN-l, Viperin, MuC5AC (muis en mens), OAS1, RIG-I (Ddx58), MAVS, MDA-5 (muis) en RV-kopieën te kwantificeren met TaqMan-assays met primers en probes, zoals eerder gerapporteerd.13 Voor absolute kwantificering werd elk gen genormaliseerd tot het niveau van 18s rRNA, en de exacte kopieën van het betreffende gen werden berekend met behulp van een standaardcurve die werd gegenereerd door de amplificatie van plasmide-DNA. Als alternatief werd 2-DDCt (fold-change) gebruikt om genexpressie te berekenen. PCR-omstandigheden volgden de TaqMan Universal PCR Master Mix-protocollen (Thermo Fisher Scientific, Waltham, Mass). Genexpressietest werd uitgevoerd met behulp van StepOne (Applied Biosystems, Waltham, Mass).

Bronchoalveolaire lavagevloeistof

Muizen werden geëuthanaseerd met intraperitoneale toediening van een overdosis pentobarbitonoplossing en de luchtpijpen werden gecanuleerd. De longen werden 3 keer gewassen met steriel PBS. Bronchoalveolaire lavage (BAL) vloeistof werd gecentrifugeerd, het supernatant werd verzameld voor dubbelstrengs DNA-meting en pellets werden gesuspendeerd voor totale cel- en differentiële telling. Voor differentiële celtelling werden de cytospin-objectglaasjes gekleurd met MayGrunwald-Giemsa en de telprocedure werd geblindeerd uitgevoerd door een ervaren onderzoeker.

Meting van dubbelstrengs DNA

Dubbelstrengs DNA werd gemeten in de BAL-vloeistof met behulp van Quant-iT PicoGreen dubbelstrengs DNA-reagens (Invitrogen, Carlsbad, Californië) volgens het protocol van de fabrikant.

Histologische analyse

Na BAL werden de longen via het hart geperfundeerd met PBS en opgeblazen met 4 procent paraformaldehyde, en vervolgens werd de linkerlong gedurende 24 uur gefixeerd in 4 procent paraformaldehyde. Daarna werden de stukken ingebed in paraffineblokken en gesneden in secties van 5- mm, gekleurd met hematoxyline en eosine. Het ontstekingsinfiltraat werd gemeten in micrometers en er werden 10 metingen uitgevoerd, beginnend vanaf het einde van het bronchiale of vatepitheel tot het einde van het ontstekingsinfiltraat met behulp van Olympus CellSens Standard-software (Olympus Corporation, Tokyo, Japan). Alle tellingen werden blind uitgevoerd voor experimentele omstandigheden.

Flowcytometrie

Cellen werden geïsoleerd uit de long door perfusie met PBS en vervolgens gedigereerd in RPMI 1640 medium aangevuld met 1 mg/ml Collagenase IV (Invitrogen-Gibco, Waltham, Mass). Cellen geïsoleerd uit de long en BAL werden gedurende 20 minuten geïncubeerd met Mouse Fc Block (#553141 BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ). Cellen werden gewassen en gekleurd met oppervlakte-antilichamen anti-CD45 (1:200, #557235, kloon 30-F11, BD Biosciences). Voor intracellulaire kleuring werden cellen gefixeerd met cytofix/cytoplasma (BD Biosciences) en met anti-RIG-I (1:50, #35H2L48, ThermoFisher Scientific, Waltham, Mass) en na incubatie werden cellen gelabeld met secundair antilichaam geiten-antikonijn IgG H&L Cy3-geconjugeerd (1:1000, # ab97075, Abcam, Cambridge, Massachusetts). De monsters werden verkregen in de flowcytometer BD FACS Canto-II (BD Biosciences). Gegevens werden geanalyseerd in FlowJo-software (versie 10, Tree Star, Inc, Ashland, Va).

In vitro studies in epitheelcellijnen

Menselijke BEC's (BEAS-2B) en menselijke longepitheelcellen (A549) werden gekocht bij ATCC (Manassas, Va) en gekweekt zoals eerder beschreven.13 Cellen werden afzonderlijk gezaaid in een concentratie van 1.5 3 105 cellen/ml in 12-well-platen. Vierentwintig uur na het zaaien werden de cellen nog eens 24 uur behandeld met 400 mM natriumacetaat (Sigma-Aldrich). Vervolgens werden de cellen gedurende 1 uur geïnfecteerd met RV-A1 (Multiplicity of Infection [MOI] 2), waarna het virus werd verwijderd, de cellen werden gewassen en nieuw medium werd toegevoegd, aangevuld met 5 procent FBS. Verdere acetaatbehandeling (400 mM) werd onmiddellijk na infectie en elke 24 uur tot celoogst toegevoegd.

Verzameling van primaire BEC's en ethische goedkeuring

BEC's van een gezonde niet-roker werden verzameld uit bronchiale poetsbeurten tijdens bronchoscopie, met schriftelijke geïnformeerde toestemming. Alle experimenten werden uitgevoerd door Hunter New England Area Health Service Ethics Committee (05/08/10/3.09) en de University of Newcastle Safety Committee (H-163-1205) goedkeuringen.

Voorwaardelijke herprogrammering van BEC's en lucht-vloeistofinterfaceculturen

BEC's werden voorwaardelijk geherprogrammeerd met rho-geassocieerde proteïnekinaseremmer (eindconcentratie 10mM) en in combinatie met bestraalde NIH{2}}T3-fibroblasten in monolaagkweken zoals eerder beschreven.14,15 Voorwaardelijk geherprogrammeerde media bestonden uit een 1:2 verhouding van Dulbecco gemodificeerd Eagle medium (hoge glucose 1 L-glutamine)/Ham's F12 aangevuld met 5 procent FCS, hydrocortison (400 ng/ml), insuline (5 mg/ml), recombinant humane epitheliale groeifactor (10 ng /ml), choleratoxine (8,4 ng/ml), adenine (23,9 mg/ml) en 0,2 procent penicilline-streptomycine.16 Uitgebreide voorwaardelijk geherprogrammeerde BEC's werden gespeend van de rho-geassocieerde proteïnekinaseremmer en geënt op {{24} }well polyester transwell membranen en gedifferentieerd op de air-liquid interface (ALI) gedurende 25 dagen zoals eerder beschreven.17 Experimenten werden uitgevoerd met n 5 4 biotechnische replica's. Standaard Alcian-blauw, pH 2,5 en periodieke zuur-Schiff-kleuring werden uitgevoerd op 5- mm dikke ALI-secties om pseudostratified epitheel zichtbaar te maken (zie afbeelding E1 in de online repository van dit artikel op www.jacionline.org).

SCFA-behandeling in BEC-cultuur

Vóór infectie werden ALI-kweken basaal behandeld met 100, 400 of 1600 mM acetaatbutyraat , of propionaat gedurende 24 uur in 600 ml ALI-eindmedia bestaande uit bronchiaal epitheliaal basismedium en Dulbecco gemodificeerd Eagle-medium (verhouding 50:50) met hydrocortison (0,1 procent ) , runderinsuline (0,1 procent), epinefrine (0,1 procent), transferrine (0,1 procent), runderhypofyse-extract (0,4 procent) en ethanolamine (80 mM), MgCl2 (0,3 mM), MgSO4 (0,4 mM), BSA (0,5 mg /ml), amfotericine B (250 mg/ml), all-trans-retinoïnezuur (30 ng/ml), penicilline/streptomycine (2 procent) en recombinant humane epitheliale groeifactor (0,5 ng/ml). Op de dag van infectie werden basale media vervangen door nieuwe ALI-eindmedia en SCFA-behandeling, die werd overgelaten tot eindpuntanalyse.

RV-infectie en bemonstering

ALI-BEC-culturen werden apicaal geïnfecteerd met RV-A1. Aanvankelijk werd RV-A1-voorraad verdund om een ​​MOI van 0.1 te verkrijgen en gedurende 2 uur toegevoegd aan het apicale oppervlak van kweken in 50 ml bronchiaal epitheelbasismedium met supplementen, 1 procent insuline- transferrine-selenium en 0,5 procent linolzuur. Infectiemedia werden vervolgens vervangen door 500 ml vers bronchiaal epitheelbasismedium (met supplementen) voor de rest van het experiment. Apical wash (100 ml PBS) en basale mediamonsters werden 8- en 48- uur na infectie verzameld en bewaard bij 280 °C. Cellen werden opgeslagen in 350 ml RLT-buffer (Qiagen) met 1 procent 2-mercapto-ethanol bij 280 °C voor analyse van genexpressie door RT-kwantitatieve PCR werd toegediend (Fig E2, C).

In overeenstemming met de versterkte antivirale immuuneffecten had acetaat de neiging om het aantal virale RNA-kopieën te verminderen (Fig E2, D) en verminderde de belasting van levend virus (Fig E2, E) 48 uur na infectie. In BEAS2B-cellen, een BEC-lijn, hebben we waargenomen dat behandeling met acetaat de expressie van IFNB1-mRNA verhoogde op 8 uur na infectie en van IFNL2-mRNA op 4 en 8 uur na infectie (Fig E2, F). Er was geen significant effect op de Viperin-expressie (Fig E2, F). In tegenstelling tot de effecten op virusladingen waargenomen in A459-cellen, was er geen effect van acetaat op viraal RNA of TCID50-kwantificering in BEAS2B-cellen (Fig. E2, G en H).

Effect van SCFA-behandeling op antivirale reacties in met ALI-BEC geïnfecteerde culturen

Nadat we een versterkend effect van acetaat in longepitheelcellijnen hadden waargenomen, probeerden we vervolgens effecten te evalueren in een model van primaire epitheelcellen gedifferentieerd bij ALI (een experimenteel systeem dat in vivo cellen nauwkeuriger recapituleert). Celdifferentiatie en morfologie werden bevestigd door de vorming van slijmbekercellen (perjoodzuur-Schiff-kleuring) (figuur E1).

Acetaat verhoogde significant IFNB1 en IFNl2/3 (IL28) op RV-geïnfecteerde BEC's in vergelijking met niet-geïnfecteerde cellen (Fig. 3, B en D), maar er was geen verschil in vergelijking met onbehandelde RV-geïnfecteerde cellen. Acetaat had de neiging om viraal RNA te verminderen, hetzij 8 uur of 48 uur na infectie met RV-A1 (Fig. 3, A en B). Aangezien acetaat minder duidelijke versterkende effecten had op RV-inductie van type I IFN-responsen in primaire gedifferentieerde epitheelcellen, hebben we ons onderzoek uitgebreid om te bepalen of butyraat of propionaat waarneembare effecten had. Butyraat en propionaat verhoogden ook de mRNA-expressie van de genexpressie van IFNb, IFNl2/3 (IL28) en IFNl1 (IL29) in vergelijking met de niet-geïnfecteerde cellen (Fig. 3, F, G, H en L). Behandeling met butyraat verhoogde de expressie van IFNB1, IL28 en IL29 48 uur na infectie met RV in vergelijking met onbehandelde RV-geïnfecteerde cellen, hoewel dit effect niet voldoende was om een ​​impact te hebben op de virale lading (Fig. 3, I, J, K, en ik). We vonden geen onderdrukkend effect op RV-geïnduceerde MUC5AC-expressie bij elke dosis SCFA-behandeling (zie figuur E3, AC, in de online repository van dit artikel op www.jacionline.org). Gezamenlijk geven deze gegevens aan dat, in tegenstelling tot gegevens in muizen en menselijke cellijnen, SCFA's beperktere effecten hebben op antivirale immuniteit in gedifferentieerde primaire epitheelcellen.

Geen effect van SCFA's op type I IFN-responsen in alveolaire macrofagen

Om te onderzoeken of het antivirale effect van acetaat en/of andere SCFA's te wijten was aan de modulatie van alveolaire macrofagen (een belangrijke vroege respondercel tijdens virale infecties en de belangrijkste bron van type I IFN), evalueerden we het effect van SCFA-toediening op ex vivo antivirale reacties in macrofagen gestimuleerd met RVA1. We ontdekten dat SCFA-toediening geen significant effect had op de inductie van Ifnb1, Viperin of OAS1 door RV, wat aangeeft dat de immuunversterkende effecten van SCFA's niet optreden door effecten op alveolaire macrofagen (zie Fig E4, AC, in de Online van dit artikel). archief op www.jacionline.org).

Door de luchtweg afgegeven SCFA verhoogde IFN-b en virusgevoelige receptoren vóór RV-infectie

Om aanvullend mechanistisch inzicht te krijgen in de antivirale routes die betrokken zijn bij de versterking van type I IFN door SCFA's, hebben we vervolgens de effecten van deze verbindingen op antivirale route-detecterende genen onderzocht. We hebben de 3 SCFA's (acetaat, butyraat en propionaat) opnieuw intranasaal toegediend in concentraties van 20 mM, gedurende 24 uur (Fig 4, A). We vonden geen effect van een van de SCFA's op de expressie van de cytosolische virale RNA-sensor MDA5 of zijn adaptermolecuul MAVS (Fig. 4, B en C). Omgekeerd verhoogde de toediening van butyraat (maar niet andere SCFA's) de RIGI-mRNA-expressie (Fig. 4, D). Het versterkende effect van butyraat op RIG-I-expressie bleek specifiek aanwezig te zijn in longepitheel-/stromacellen (CD452), waarbij geen effect werd waargenomen in hematopoëtische immuuncellen (CD451) (Fig. 4, EI). Gezamenlijk gaven deze gegevens aan dat verschillende SCFA's mogelijk werken via specifieke antivirale detectieroutes om de aangeboren immuniteit te reguleren.

DISCUSSIE

Deze studie geeft nieuw inzicht in het potentiële voordeel van het rechtstreeks in de luchtwegen toedienen van microbiële metabolieten om de aangeboren immuniteit van de longen te versterken. Voedingsvezels en uit de darmmicrobiota afgeleide SCFA's worden al lang in verband gebracht met gunstige effecten op de gezondheid van de longen. Een gerandomiseerde, placebogecontroleerde studie toonde aan dat het gebruik van prebiotica (vezels) bij te vroeg geboren baby's RV-infecties in het eerste levensjaar voorkwam.20 Voedingsvezels zijn niet-verteerbare polysacchariden die kunnen worden afgebroken tot SCFA's door microbiële fermentatie. Studies hebben ook aangetoond dat SCFA's een gezonde darmmicrobiota kunnen moduleren.21 Onze studie benadrukt dat toediening van SCFA's aan de luchtwegen ook directe lokale gunstige effecten kan hebben op de reacties van de gastheer. We hebben een ander mechanisme geïdentificeerd dan door voeding gemedieerde effecten op de microbiota, waarbij directe pulmonale stimulatie van aangeboren antivirale immuniteit door SCFA's betrokken is.

Onze gegevens tonen aan dat toediening van het SCFA-acetaat de basale expressie van antivirale immuunmediatoren in een stabiele toestand verhoogt. Dit past conceptueel bij een rol voor acetaat bij het voorbereiden van de longen voor een robuustere vroege afgifte van IFN's. Dit werd ondersteund door onze bevindingen dat toediening van acetaat ook de inductie van IFN's en ISG's verhoogde als reactie op RV-infectie bij muizen. Dit ging gepaard met verminderde virusbelasting en een latere onderdrukking van pro-inflammatoire reacties en slijmproductie. Deze effecten zouden allemaal als gunstig worden beschouwd in de context van een acute virusinfectie. Onze gegevens passen bij een hoeveelheid literatuur waaruit blijkt dat acetaat betrokken is bij het bieden van uiteenlopende gezondheidsvoordelen, zoals verbetering van de hartfunctie, verbetering van de aanmaak van rode bloedcellen en vorming van immuungeheugen.22 Bovendien is acetaat gekoppeld aan het moduleren van verschillende functies van de immuunrespons23-25 en het beheersen van luchtwegaandoeningen.

We bestudeerden ook het effect van acetaattoediening op RV-infectie van het epitheel, omdat dit de primaire plaats is van initiële virusreplicatie. We vonden een vergelijkbaar antiviraal stimulerend effect van acetaat in menselijke longcellijnen, met krachtigere effecten waargenomen in A549-cellen dan in BEAS{2}}B-cellen (waarvan bekend is dat ze hogere basale niveaus van IFN en ISG's tot expressie brengen).27 ,28 Dit zou gedeeltelijk kunnen verklaren waarom behandeling met acetaat minder effect had in BEAS{5}}B-cellen. Daarentegen hebben we waargenomen dat er bij menselijke primair gedifferentieerde BEC's (ALI-BEC's) geen duidelijk effect was van acetaat op type I IFN-responsen op RV. Bovendien evalueerden we ook het vermogen van acetaat en andere SCFA's om type-I IFN-responsen te moduleren in ex vivo gekweekte alveolaire macrofagen en vonden evenmin een effect. Deze discrepantie tussen in vivo en in vitro bevindingen kan suggereren dat meerdere celtypen en cel-celcommunicatie verantwoordelijk kunnen zijn voor het duidelijke fenotype dat in vivo wordt waargenomen, met een minder krachtig effect dat wordt waargenomen wanneer geïsoleerde cellen worden behandeld met SCFA's.

Hoewel de primaire focus van onze studie was om de effecten van SCFA op aangeboren antivirale immuniteit te evalueren, is het denkbaar dat stroomafwaartse effecten op adaptieve immuunresponsen kunnen optreden, en toekomstige studies kunnen zich richten op mogelijke effecten op T- en B-lymfocytenpopulaties en productie van neutraliserende antistoffen.

Er moet ook worden opgemerkt dat het muismodel dat we gebruikten er een is waarbij relatief beperkte (;24-36 uur) virusreplicatie plaatsvindt, hoewel alle gemeten eindpunten replicatie-afhankelijk zijn.12,29 Verdere studies, met gebruik van aan muis aangepaste virusstammen waar een meer aanhoudende virale replicatie plaatsvindt, kunnen meer diepgaande en aanhoudende effecten optreden. Bovendien werden onze experimenten uitsluitend uitgevoerd bij vrouwelijke muizen, en verder onderzoek zou moeten bevestigen of vergelijkbare effecten optreden bij mannen.

Hoewel acetaat beperkte effecten had in ALI-BEC's, zagen we wel dat toediening van butyraat RV-inductie van type I IFN-responsen kon versterken. Deze gegevens contrasteren met de studie van Chemudupati et al,30 die een onderdrukkend effect van butyraat op type-I IFN-responsen aantoonde. Deze studie gebruikte echter veel hogere concentraties butyraat en richtte zich ook op verschillende respiratoire virussen.

Slijmproductie in de longen is een kenmerk van RV-infectie, wat leidt tot verhoogde klinische ernst en verergering van astma en COPD,31,32 specifiek door MUC5AC-verbetering van luchtwegontsteking.33 We toonden aan dat behandeling met acetaat de Muc5AC-expressie in de longen verminderde op dag 4 en 6 na infectie. Dienovereenkomstig is aangetoond dat SCFA's de slijmproductie in de longen verminderen tijdens griepinfectie34 en allergische luchtwegontsteking.34,35 In ALI-BEC-cellen moduleerde acetaat echter de genexpressie van Muc5AC niet, hoewel moet worden opgemerkt dat latere tijdstippen niet onderzocht. Onze waarneming van verminderde mucine-expressie bij muizen die met acetaat zijn behandeld en met het virus zijn geïnfecteerd, komt overeen met onze eerdere bevindingen dat type-I IFN de mucine Muc5ac-expressie van de belangrijkste luchtwegen tijdens virusinfectie negatief reguleert.14 De moleculaire mechanismen waardoor dit gebeurt, zijn onduidelijk , hoewel eerder bewijs aantoont dat IL-13-gemedieerde type 2-ontsteking belangrijk kan zijn bij de inductie van MUC5AC.36,37 Verdere studies zouden moeten proberen om beter te begrijpen hoe acetaat de slijmproductie in de luchtwegen kan beïnvloeden.

Om de moleculaire mechanismen te bestuderen waarmee SCFA's IFN induceren, hebben we bovendien de expressie van antivirale pathway-sensing-genen gemeten. We hebben waargenomen dat butyraat, en in mindere mate acetaat, RIG-I-expressie kan induceren in longepitheelcellen van naïeve muizen. Onze gegevens suggereren dat deze SCFA's de virusgevoelige respons verhogen, waardoor de longen worden voorbereid op een versterkte aangeboren respons op een virusinfectie.

Verstoorde ex vivo type-I IFN-productie voor RV-infectie is aangetoond in epitheelcellen van de luchtwegen bij zowel astma als COPD.38,39 Er wordt aangenomen dat dit defect de gevoeligheid voor virus-geïnduceerde exacerbaties bij deze individuen verhoogt. De mechanismen die deze defecten aandrijven, zijn onbekend. Verder werk met behulp van diermodellen of zieke celkweeksystemen is nodig om te bepalen of de microbiële dysbiose die wordt waargenomen bij astma en COPD leidt tot een relatieve deficiëntie van acetaat of andere SCFA's, die door toediening kunnen worden gecorrigeerd om de verminderde antivirale immuniteit te herstellen.

Samengevat, het gebruik van SCFA's als behandeling tegen RV-infectie wordt in verband gebracht met verhoging van type I en type III IFN-productie, centrale componenten van de pulmonale antivirale immuunrespons. Deze studie benadrukt dat toediening van microbiële metabolieten zoals SCFA's via de luchtwegen gunstige effecten kan hebben op de antivirale immuniteit en mogelijk de ernst van respiratoire virale aandoeningen kan verbeteren.

REFERENTIES

1.Trompette A, Gollwitzer ES, Yadava K, Sichelstiel AK, Sprenger N, Ngom-Bru C, et al. Het metabolisme van voedingsvezels in de darmmicrobiota beïnvloedt allergische luchtwegaandoeningen en hematopoëse. Nat Med 2014;20:159-66.

2. Thorburn AN, McKenzie CI, Shen S, Stanley D, Macia L, Mason LJ, et al. Bewijs dat astma een ontwikkelingsziekte is die wordt beïnvloed door het dieet van de moeder en bacteriële metabolieten. Nat Commun 2015;6:7320.

3. Rivera-Chavez F, Zhang LF, Faber F, Lopez CA, Byndloss MX, Olsan EE, et al. Uitputting van butyraatproducerende Clostridia uit de darmmicrobiota drijft een aerobe luminale expansie van Salmonella aan. Cell Host Microbe 2016;19:443-54.

4. Fachi JL, Secca C, Rodrigues PB, Mato FCP, Di Luccia B, Felipe JS, et al. Acetaat coördineert neutrofielen en ILC3-responsen tegen C. difficile via FFAR2. J Exp Med 2020;217:jem.20190489.

5. Antunes KH, Fachi JL, de Paula R, da Silva EF, Pral LP, Dos Santos AA, et al. Van microbiota afgeleid acetaat beschermt tegen respiratoir syncytieel virusinfectie door een GPR43-type 1 interferonrespons. Nat Commun 2019;10:3273.

6. Correa-Oliveira R, Fachi JL, Vieira A, Sato FT, Vinolo MA. Regulering van de immuuncelfunctie door vetzuren met een korte keten. Clin Transl Immunol 2016;5:e73.

7. Koh A, De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Backhed F. Van voedingsvezels tot gastheerfysiologie: vetzuren met een korte keten als belangrijke bacteriële metabolieten. Cel 2016;165: 1332-45.

8. Sulaiman I, Wu BG, Li Y, Tsay JC, Sauthoff M, Scott AS, et al. Functionele genomische profilering van de onderste luchtwegen van het microbioom om actief microbieel metabolisme vast te leggen. Eur Adem J 2021;58:2003434.

9. Glanville N, Johnston SL. Uitdagingen bij de ontwikkeling van een cross-serotype rhinovirusvaccin. Huidige mening Virol 2015;11:83-8.

10. Spacova I, De Boeck I, Bron PA, Delputte P, Lebeer S. Topische microbiële therapieën tegen respiratoire virale infecties. Trends Mol Med 2021;27:538-53.

11. Antunes KH, Stein RT, Franceschina C, da Silva EF, de Freitas DN, Silveira J, et al. Vetzuuracetaat met korte keten veroorzaakt een antivirale respons gemedieerd door RIG-I in cellen van zuigelingen met bronchiolitis van het respiratoire syncytiële virus. EBioMedicine 2022;77: 103891.

12. Bartlett NW, Walton RP, Edwards MR, Aniscenko J, Caramori G, Zhu J, et al. Muismodellen van door rhinovirus veroorzaakte ziekte en verergering van allergische luchtwegontsteking. Nat Med 2008;14:199-204.

13. Singanayagam A, Glanville N, Girkin JL, Ching YM, Marcellini A, Porter JD, et al. Onderdrukking van antivirale immuniteit door corticosteroïden verhoogt de bacteriële belasting en slijmproductie bij COPD-exacerbaties. Nat Commun 2018;9:2229.

14. Gentzsch M, Boyles SE, Cheluvaraju C, Chaudhry IG, Quinney NL, Cho C, et al. Farmacologische redding van voorwaardelijk geherprogrammeerde cystic fibrosis bronchiale epitheelcellen. Am J Respir Cell Mol Biol 2017;56:568-74.

15. Liu X, Ory V, Chapman S, Yuan H, Albanese C, Kallakury B, et al. ROCK-remmer en feedercellen induceren de voorwaardelijke herprogrammering van epitheelcellen. Am J Pathol 2012;180:599-607.

For more information:1950477648nn@gmail.com