Pathogenesis of Haemophuilus influenzae respiratory infection in COPD patients

Annelies van Leeuwen-Gorter - 20 juni 2002

Obstructieve en niet-obstructieve chronisch bronchitis (COPD/CB) zijn aandoeningen waarbij de lagere luchtwegen (de longen) chronisch ontstoken zijn. In COPD patiënten wordt de ademhaling bemoeilijkt vanwege de vernauwing (obstructie) van de lagere luchtwegen door overmatig productie van slijm (sputum). De grootste risicofactor om COPD te ontwikkelen is roken. Patiënten met een erfelijke tekort van 1-antitrypsine (1-AT) hebben, vooral als ze roken, een grotere kans om COPD te ontwikkelen. De chronische ontsteking van de lagere luchtwegen van COPD patiënten wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van bepaalde witte bloedcellen, de neutrofiele granulocyten. In het algemeen worden bacteriën snel door deze cellen opgenomen. In de neutrofiele granulocyten zijn verschillende anti-microbiële peptiden (kleine bacterie-dodende eiwitten) aanwezig, zoals neutrofiel defensines. Nadat de bacteriën zijn opgenomen door de neutrofielen, worden deze bacteriën gedood door dergelijke defensines. Deze peptiden kunnen echter ook uit geactiveerde neutrofiele granulocyten vrijkomen en worden ook in de lagere luchtwegen van COPD patiënten aangetroffen. COPD patiënten hebben, ondanks de aanwezigheid van neutrofielen en defensines in de lagere luchtwegen, vaak last van terugkerende en chronische bacteriële infecties, die meestal veroorzaakt worden door de bacterie Haemophilus influenzae.

Deze bacterie komt bij 75% van gezonde mensen in de keelholte (de bovenste luchtwegen) voor. Van daaruit komen de bacteriën bij de inademing de lagere luchtwegen binnen, van waaruit ze via een trilhaar mechanisme weer worden afgevoerd naar de keelholte. In de COPD patiënten zijn de lagere luchtwegen, met name de luchtwegepitheelcellen (de buitenste cellen van de luchtwegen), beschadigd door de chronische ontstekingsprocessen. De gangbare hypothese is dat door de ontsteking en de beschadigding van het luchtwegepitheel, het ontstaan en aanhouden van infecties in de lagere luchtwegen door Haemophilus influenzae wordt versterkt. Op welke wijze een ontsteking de kans op een infectie vergroot is echter onduidelijk. De eerste stap voor het ontstaan van een bacteriële infectie is de hechting van de bacteriën aan de luchtwegepitheelcellen. In antwoord hierop gaan de luchtwegepitheelcellen ontstekingsmediatoren maken en uitscheiden. Deze ontstekingsmediatoren of cytokines zijn eiwitten die bijdragen aan de ontstekingsreactie. Deze ontstekingsreactie is primair een verdedigingsmechanisme tegen een infectie. De cytokines trekken namelijk neutrofiele granulocyten aan, welke de bacteriën opnemen en doden door de werking van onder andere defensines. Omdat COPD patiënten, ondanks de aanwezigheid van onder andere defensines in hun sputum toch terugkerende bacteriële infecties kunnen hebben, is in dit project onderzocht of de interactie van Haemophilus influenzae met luchtwegepitheelcellen beïnvloed wordt door de aanwezigheid van defensines in het longweefsel.

In hoofdstuk 2 is beschreven dat neutrofiele defensines de hechting van Haemophilus influenzae aan luchtwegepitheelcellen verhogen, zonder dat deze defensines, zoals verwacht, de bacteriën doden. Deze bevinding hebben wij de defensin-gemedieerde hechting genoemd. De toename van de hechting was afhankelijk van de concentratie van de defensines en is gevonden bij alle 15 geteste Haemophilus influenzae geïsoleerd uit sputum van verschillende COPD patiënten. Op epitheelcellen die uit de keelholte van gezonde vrijwilligers geschraapt waren en waarvan de slijmlaag niet was verwijderd, werd eveneens de defensin-gemedieerde hechting van Haemophilus influenzae gevonden. Aangezien luchtwegepitheelcellen van COPD patiënten bedekt zijn met veel slijm, suggereerde dit resultaat dat de defensin-gemedieerde hechting ook bij deze patiënten kan plaatsvinden.

Veel van de biologische effecten van defensines, ook de defensin-gemedieerde hechting, worden door het eiwit 1-antitrypsine (1-AT) geneutraliseerd. Bij gezonde mensen is er een balans tussen de hoeveelheid defensines en 1-AT. Bij patiënten met een COPD is deze balans verstoord en zijn er relatief veel defensines aanwezig, waardoor de defensines dus niet voldoende worden geneutraliseerd. Door deze verstoorde balans kunnen de bacteriën, via de defensines, makkelijker hechten aan de luchtwegepitheelcellen. De bacteriële hechting zorgt ervoor dat de bacteriën zich in de luchtwegen kunnen innestelen, wat leidt tot een luchtweginfectie. Bij de COPD patiënten met een erfelijk tekort aan het eiwit 1-AT is de balans tussen de defensines en 1-AT nog verder verstoord in het voordeel van de defensines. Hierdoor kunnen de bacteriën, via de defensines, nog makkelijker hechten en zich meer innestelen in de luchtwegen. Dit leidt tot een verhoogd risico op bacteriële infecties, zoals het geval is bij COPD patiënten met een erfelijk tekort aan 1-AT.

De defensines vergroten ook de hechting van Moraxella catarrhalis, een andere bacterie die ook vaak in de luchtwegen van COPD patiënten gevonden wordt. Ook de hechting van Neisseria meningitidis, een bacterie die in de bovenste luchtwegen voorkomt, wordt verhoogd door defensines [hoofdstuk 3]. De hechting van twee andere bacteriën, die in het algemeen geen infecties veroorzaken in de luchtwegen van COPD patiënten (Pseudomonas aeruginosa en Escherichia coli), neemt daarentegen niet toe in de aanwezigheid van defensins [hoofdstuk 3]. De defensines vergrootten de hechting van zowel levende als gedode (door ze 30 min bij 56°C te verhitten) bacteriën. Dit suggereerde dat de bacteriële component, die betrokken is bij de defensin-gemedieerde hechting, hitte-stabiel is. Deze hitte-stabiele bacteriële component is lipooligosaccharide (LOS), die zich in de buitenste membraan van de bacterie bevindt. Er waren mutanten van Haemophilus influenzae en Neisseria meningitidis aanwezig, die een veranderd of verkort LOS tot expressie brachten en een mutant van Neisseria meningitidis die het LOS helemaal mist. Met deze mutanten hebben we aan kunnen tonen dat LOS een belangrijke component is voor de defensin-gemedieerde bacteriële hechting [hoofdstuk 4].

Hechting van Haemophilus influenzae aan cellen en de aanwezigheid van neutrofiele defensines bevorderen de uitscheiding van ontstekingsmediatoren (cytokines) door luchtwegepitheelcellen. Ontstekingsbevorderende cytokines, zoals interleukine-6 (IL-6) en interleukine-8 (IL-8) zijn belangrijke ontstekingsmediatoren. Het eiwit IL-6 is onder andere verantwoordelijk voor de aanwezigheid van de neutrofiele granulocyten (de witte bloedcellen die de bacteriën normaliter vernietigen) in de onderste luchtwegen, als deze geïnfecteerd zijn. Het eiwit IL-8 is belangrijk voor de migratie van de neutrofielen naar het longweefsel, als dit geïnfecteerd wordt. Wij hebben gevonden dat door de gelijktijdige aanwezigheid van defensines en Haemophilus influenzae op het luchtwegepitheel de uitscheiding van IL-6 en IL-8 wordt verhoogd. Deze uitscheiding is hoger dan de uitscheiding die gevonden wordt na blootstelling van de epitheelcellen aan beide afzonderlijk én hoger dan som van de uitscheiding na blootstelling aan beide afzonderlijk [hoofdstuk 5]. Dit wordt een synergistisch effect genoemd. De synergistisch verhoogde IL-8 uitscheiding wordt in belangrijke mate verklaard door een verminderde afbraak van de boodschapper RNA's die voor het eiwit IL-8 coderen.

Samenvattend verhogen neutrofiele defensines de hechting van Haemophilus influenzae aan luchtwegepitheelcellen. De kans op innesteling van de bacteriën en het ontstaan van een infectie in de lagere luchtwegen van COPD patiënten door deze bacteriën neemt daardoor toe. Tevens wordt de uitscheiding van ontstekingsmediatoren (cytokines) vergroot, waardoor meer neutrofiele granulocyten worden gerekruteerd en de hoeveelheid defensines in de luchtwegen stijgt. Op die wijze spelen defensines een rol in de vicieuze cirkel van ontsteking en infectie, zoals die gevonden wordt bij COPD patiënten.