Faagspecifieke diverse effecten van bacteriële virussen op het immuunsysteem

“Met de toenemende dreiging van antibioticaresistentie is de belangstelling voor faagtherapie (PT) als mogelijke oplossing voor deze crisis snel toegenomen. Recentelijk zijn er verschillende rapporten gepubliceerd die een succesvolle behandeling beschrijven van patiënten met levensbedreigende antibioticaresistente bacteriële infecties, waaronder ontvangers van longtransplantaties en behandeling met genetisch gemodificeerde fagen. Bovendien werd in de VS het eerste PT-centrum geopend, nadat in België een vergelijkbare eenheid was opgericht. Deze ontwikkelingen bevestigen onze beslissing om in 2005 de eerste dergelijke eenheid op te richten, die in overeenstemming met de UKORE en de nationale voorschriften werkt, wat heeft bijgedragen aan het effenen van de weg voor toekomstige vooruitgang in PT als optie om de crisis van antibioticaresistentie te bestrijden. Uitgebreid bewijs uit observationele studies wijst op de veiligheid van PT. Bovendien zijn er verschillende klinische studies voltooid (waaronder één volgens alle vereiste normen van goede medische praktijk en evidence-based medicine) en lopen er nog. Deze studies moeten echter nog het definitieve bewijs leveren van de werkzaamheid van PT[1-4]. Terwijl de strijd om de registratie en marktintroductie van fagen als geneesmiddel voortduurt, hebben zich parallelle gegevens opgehoopt die erop wijzen dat fagen niet alleen met bacteriën kunnen interageren, maar ook met eukaryotische cellen (inclusief cellen van het immuunsysteem). Daarom kan niet worden uitgesloten dat het onderzoek zich in de toekomst, na de ontdekking van fagen, zal verleggen in de richting van faag-immuunsysteem-interacties, terwijl tot nu toe het werk aan faag-interacties met hun natuurlijke doelwit (bacteriën) heeft gedomineerd. Er blijft te hopen dat gelijktijdige vooruitgang in beide onderzoeksgebieden positieve resultaten kan opleveren voor de menselijke gezondheid, zowel bij de bestrijding van antibioticaresistente bacteriële infecties als bij de ontwikkeling van nieuwe ontstekingsremmende en immunomodulerende stoffen met minimale toxiciteit en bevredigende werkzaamheid[4,5].

Wij hebben een hypothese geformuleerd die stelt dat fagen die in de darm aanwezig zijn, kunnen migreren naar bloed, lymfe en organen, ontstekingsremmende effecten kunnen bemiddelen en kunnen bijdragen aan immunologische tolerantie en immuunhomeostase – zowel in situ als op andere plaatsen in het lichaam[6]. De studieresultaten bevestigen dit en bovendien ondergaan dagelijks meer dan 30 miljard fagen een transcytose van het darmepitheel en verspreiden zich naar bloed, lymfe en organen[7]. Bovendien kunnen ook andere celtypen, inclusief immuuncellen, via de endocytische weg fagen opnemen[8].

Het nieuw opkomende concept van de faag, dat niet alleen bacteriële roofdieren omvat, maar ook potentiële ontstekingsremmende en immunomodulerende stoffen, vereist een gedetailleerd verder onderzoek. Een kritiek punt dat moet worden opgehelderd, is de faagspecificiteit bij het bemiddelen van bepaalde immuunreacties. Fagen staan bekend om hun hoge specificiteit ten opzichte van bacteriën, die al tientallen jaren is vastgesteld en wordt gebruikt in faagtypering voor de classificatie van verschillende bacteriestammen. Zijn immunotrope activiteiten ook faagspecifiek of induceren fagen vergelijkbare reacties, onafhankelijk van het faagtype?

Er wordt aangenomen dat faagkapsideproteïnen in de eerste plaats verantwoordelijk kunnen zijn voor de biologische eigenschappen van de faag die niet samenhangen met interacties met bacteriën. Deze proteïnen verschillen in hun immunogeniciteit en kunnen verschillende antilichaamreacties op fagen oproepen, wat ook afhangt van de toedieningsweg. Bovendien kunnen verschillende stammen van een homologe faag, die een bepaalde bacterie herkennen, verschillende proteïnen tot expressie brengen[9,10] en de faag verschillende functies verlenen (bijv. persistentie in de circulatie en antimetastatische effecten). Zo is bijvoorbeeld een T4-faagmutant, HAP1, met een niet-functioneel Hoc-proteïne gevoeliger voor de Kupffer-cellen van de lever en wordt sneller geklaard dan zijn ouderstam. Ook zijn er verschillen tussen HAP1 en T4-fagen in hun interacties met T-cellen en fibrinogeen[11,12].
Eerste studies over de effecten van fagen op andere immuunfuncties suggereren dat de effecten ook kunnen verschillen afhankelijk van het faagtype. Zo remt bijvoorbeeld de gezuiverde T4-colifaag de via het CD3-TCR-complex geïnduceerde menselijke T-celproliferatie, terwijl de gezuiverde stafylokokkenfaag een co-stimulerend effect uitoefent[12]. Een gedetailleerde studie over stafylokokken- en Pseudomonas-fagen toonde aan dat, hoewel deze fagen vergelijkbare reacties induceerden in mononucleaire cellen van menselijk perifeer bloed, door opregulatie van de genexpressie van ontstekingsremmende cytokines IL-1-receptorantagonisten en van suppressors van het cytokinesignaal 3, hun invloed op andere immuunfuncties beperkt was tot de specifieke faag. Een protolerogeen en ontstekingsremmend cytokine IL-10 werd geïnduceerd door alle geteste Pseudomonas-fagen, maar niet door een stafylokokkenfaag. Anderzijds veroorzaakte laatstgenoemde faag TNFα, terwijl slechts twee van de vier onderzochte Pseudomonas-fagen vergelijkbare effecten hadden. Bovendien werd het TLR4-gen uitsluitend door een Pseudomonas PMN-faag neergereguleerd, wat wijst op zijn ontstekingsremmende werking (de TLR4-activering bewerkstelligt de secretie van pro-inflammatoire cytokines)[13]. De diversiteit van de faagwerking op het immuunsysteem werd ook bevestigd door recentere gegevens die aantonen dat een filamenteuze Pseudomonas Pf-faag de TNF-productie en fagocytose remt, terwijl Escherichia coli filamenteuze Fd-faag geen dergelijke effecten heeft[8]. Bovendien suggereren onze gegevens dat zowel T4-colifaag als A5/80 Staphylococcus aureus-faag de expressie van menselijke adenovirusgenen significant verminderen, maar de synthese van viraal DNA wordt alleen door T4-colifaag geremd[14]. Bovendien zijn er aanwijzingen dat gematigde en lytische fagen kunnen verschillen in hun effect op het immuunsysteem[8]. Profagen zijn inderdaad de belangrijkste factor voor de bacteriële heterogeniteit van het immuunsysteem tussen de stammen, die zich manifesteert als variatie van de adaptieve T- en B-celimmuunreacties van menselijke lymfocyten in vitro op S. aureus en Streptococcus pyogenes[15].

Immunomodulerende en ontstekingsremmende effecten van fagen kunnen ook cel- en weefselspecifiek zijn. De intranasale toediening van 536_P1 (maar niet LM33-P1) colifaag bij muizen met experimentele longontsteking leidde tot een toename van de antivirale longcytokines en chemokines. Geen van beide fagen veroorzaakte veranderingen in het bloedcytokine-/chemokinegehalte, wat ook suggereert dat faageffecten op het immuunsysteem verschillende manifestaties kunnen hebben in verschillende compartimenten van het lichaam[16]. Het vermogen van de faag om weefselspecifieke activiteit te bemiddelen, wordt bevestigd door Pincus et al.[17], waar de stafylokokkenfaag geen pro-inflammatoire cytokines heeft geïnduceerd in mononucleaire cellen van menselijk perifeer bloed, maar IFN-γ heeft kunnen induceren in menselijke keratinocyten. Bovendien hebben wij aangetoond dat A5/80 stafylokokkenfaag de expressie van IL-2 verhoogt in de A549-cellijn[18]; een activiteit die voor de faagwerking op andere celtypen in in-vitrostudies nog niet is gerapporteerd. Een toename van de serum-IL-2-spiegels als reactie op de toediening van fagen werd recentelijk ook gerapporteerd bij muizen die werden behandeld met Acinetobacter baumannii-fagen, maar hun cellulaire bron is onbekend[19].

Zoals reeds vermeld, suggereren recente gegevens dat fagen door zoogdiercellen kunnen worden geïnternaliseerd en een groot aantal transcytoses via darmepitheel cellen kunnen ondergaan, terwijl immuuncellen ook fagen internaliseren, met name dendritische cellen (DC’s), monocyten en B-cellen[7,8]. Onlangs hebben wij een duidelijke faagafhankelijke stimulatie van het Hsp72-gen beschreven[18]. Deze inductie van een bekend cellulair chaperon kan een mechanisme zijn om cellen die transcytose ondergaan te beschermen tegen mogelijke schade door intracellulaire fagen. Bovendien is bekend dat Hsp72 de T-celproliferatie en de cytokinesecretie vermindert, onafhankelijk van de gebruikte stimuli, en het DC-vermogen om allogene T-cellen te stimuleren remt. Dit kan erop wijzen dat Hsp72 als immunomodulator zou kunnen worden gebruikt[20]. Er is ook aangetoond dat het experimentele artritis bij ratten onderdrukt[21]. Wij hebben gerapporteerd dat fagen de ontwikkeling van collageengeïnduceerde artritis bij muizen kunnen remmen, een experimenteel model van reumatoïde artritis[22]. Interessant genoeg is in dit model ook aangetoond dat Hsp72 artritis onderdrukt[23]. Het kan zeer wel zijn dat de faagafhankelijke inductie van Hsp72 ten minste gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de remming van de door de faag veroorzaakte abnormale immuunreacties (inclusief auto-immuniteit en hyperinflammatie)[24].
Faaginteracties met immuuncellen kunnen afhankelijk zijn van specifieke faagreceptoren die deze interacties mogelijk maken. Over de aard van dergelijke receptoren zijn momenteel slechts weinig gegevens beschikbaar. Pruzzo et al.[25] stelden voor dat de colifagen T3 en T7 met hun receptoren voor Klebsiella pneumoniae aan epitheelcellen zouden kunnen hechten. Onze hypothese wees op een Lys-Gly-Asp (KGD)-sequentie die aanwezig is in een van de kapsideproteïnen van de T4-faag als potentiële ligand voor cellulaire integrinereceptoren[24]. Lehti et al. toonden aan dat E. coli-faag neuroblastoomcellen kan herkennen en binden die polysialinezuur op hun oppervlak hebben[26]. Als polysialinezuur inderdaad een ligand is voor receptoren van sommige fagen, zou het deze fagen in staat kunnen stellen om aan immuuncellen te binden, aangezien de aanwezigheid van polysialinezuur ook is aangetoond op menselijke DC’s, NK-cellen en een subpopulatie van T-cellen[27,28]. Het is dus waarschijnlijk dat verschillende fagen verschillende cellulaire liganden kunnen gebruiken om zich te binden aan en te transcytoseren naar doelcellen, inclusief die van het immuunsysteem. Met name kan reeds een enkele aminozuursubstitutie in een faagkapsideproteïne een >1000-voudige verbetering van de faagoverleving in de muizencirculatie bewerkstelligen, wat waarschijnlijk gewijzigde interacties tussen fagen en fagocyten (en misschien andere cellen die fagen endocyteren) weerspiegelt[29].

Fagen richten zich niet alleen op bepaalde bacteriën, maar kunnen – althans gedeeltelijk – ook faagspecifieke immuunreacties veroorzaken. Deze resultaten openen een nieuw spannend veld voor verder onderzoek naar de betekenis van dergelijke reacties voor gezondheid en ziekte. Bovendien suggereren deze gegevens dat een bepaalde faag optimaal zou kunnen worden geselecteerd voor gebruik in PT uit verschillende faagstammen die een bepaalde bacterie herkennen, waarbij zowel zijn antibacteriële activiteit als de aard van de immuunreactie die hij kan oproepen in aanmerking worden genomen. Dit is belangrijk bij patiënten met immuundeficiënties, auto-immuniteit, ontvangers van allotransplantaten enz., die – afhankelijk van de aard van hun aandoening – immuunstimulatie of immunosuppressie nodig hebben. Uiteraard kan verder onderzoek op dit gebied de weg effenen voor het gebruik van specifieke fagen in immunomodulatie.”

Vertaling van de bron: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6802706/

Phage-specific diverse effects of bacterial viruses on the immune system
Andrzej Górski, Ryszard Międzybrodzki, Ewa Jończyk-Matysiak, Maciej Żaczek, and Jan Borysowski