Das Hausschwein als translationales Großtiermodell zur Analyse der adaptiven antimykotischen Immunantwort gegen aerogen übertragenen Aspergillus fumigatus

Abstract

Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) verursacht schwere invasive Infektionen oder auch Überempfindlichkeitsreaktionen bei immungeschwächten Menschen sowie Patienten, die an bereits bestehenden Lungenerkrankungen leiden. Die rechtzeitige Diagnose invasiver Pilzinfektionen ist nach wie vor schwierig, da spezifische und hochempfindliche nicht-invasive Methoden für A. fumigatus fehlen. Die Betrachtung der T-Helferzellantwort (CD4+) gegen spezifische Pilzpathogene kann dabei wichtige Informationen über den Wirt-Pathogen-Status liefern und diagnostisch für die Kategorisierung von Patientengruppen genutzt werden. Die Untersuchung der Rolle von Aspergillus-spezifischen Th-Zellen für die antimykotische Immunität des Menschen ist jedoch bei gefährdeten Patienten aufgrund der eingeschränkten Möglichkeiten zur Probenahme sowie des schnellen Fortschreitens der Erkrankung äußerst schwierig. In dieser Studie wurde das Hausschwein als translationales Großtiermodell ausgewählt, um die antimykotische T-Zell-Immunität gegenüber luftgetragenen A. fumigatus-Sporen unter Anwendung des Aktivierungsmarkers CD154 und der Anreicherung porziner Aspergillus-spezifischen T-Helferzellen zu untersuchen. Der Pool von A. fumigatus-reaktiven CD4+ T-Zellen im Blut gesunder, natürlich exponierter Schweine war bezüglich des Differenzierungsstatus, der Frequenz und des Th1-Phänotyps mit Daten gesunder Menschen vergleichbar. Gesunde Schweine, die in einer Aerosolkammer experimentell einer definierten Konzentration von 106 KBE/m3 Konidien über einen Zeitraum von 8 Stunden ausgesetzt waren, zeigten an Tag 4 nach der Exposition eine erhöhte Anzahl an Aspergillus-spezifischen Th-Zellen im Blut, gefolgt von einem Abfall und einem allmählichen Anstieg bis Tag 18. Nach der experimentellen Exposition akkumulierten A. fumigatus-reaktive CD4+ T-Zellen insbesondere in Lungengeweben und zeigten einen konsistenten Th1-Phänotyp. Experimentell exponierte Schweine entwickelten zudem keine klinischen Anzeichen einer Infektion. Eine temporäre medikamentös induzierte Immunsuppression vor der experimentellen Aspergillus-Exposition reduzierte die Anzahl der A. fumigatus-reaktiven Th-Zellen in Lungengeweben signifikant und resultierte in einer reduzierten Zytokinproduktion bis zu mehr als zwei Wochen nach Absetzen der supprimierenden Behandlung. Die initiale periphere A. fumigatus-reaktive T-Helferzellantwort im Blut war bemerkenswerterweise bei immunkompetenten sowie immunkompromittierten Schweinen sehr ähnlich. Darüber hinaus führte die experimentelle Exposition gegenüber Aspergillus-Konidien bereits nach 4 Tagen zu einem deutlichen Anstieg der pulmonalen Th17-Antwort mit Kreuzreaktivität gegenüber C. albicans. Die Ergebnisse unterstreichen daher den sinnvollen Einsatz von Hausschweinen zur Erforschung der A. fumigatus-reaktiven T-Helferzellantwort und bieten neue Anhaltspunkte zur Analyse prädisponierender Faktoren für Aspergillus-assoziierte Erkrankungen und des Potenzials der T-Zell-basierten Diagnostik und Therapie in Human- und Veterinärmedizin.

Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) causes severe invasive infections or associated hyperinflammatory diseases in immunocompromised individuals and patients suffering from pre-existing pulmonary conditions. The timely diagnosis of invasive fungal infections remains difficult because specific and highly sensitive non-invasive methods for A. fumigatus are missing. The analysis of the T helper cell response (CD4+) against specific fungal pathogens can provide important information about the actual fungus-host interaction status and can be used diagnostically for the categorization of patient groups. But studying the role of Aspergillusspecific Th cells for human antifungal immunity is extremely difficult in patients at high risk due to sampling limitations and fast disease progression. Here, we exploit the domestic pig as human-relevant large animal model to investigate the anti-fungal T cell response against airborne A. fumigatus using the activation marker CD154 and enrichment of porcine Aspergillus-specific T helper cells. The pool of A. fumigatus-specific T cells in blood of healthy, naturally exposed pigs, was similar in differentiation, frequency and Th1 phenotype compared to their human counterparts. Healthy pigs experimentally exposed to 106 cfu/m3 conidia over a period of 8 hours in an aerosol chamber showed increased numbers of Aspergillus-specific T cells in blood by day 4 after exposure, followed by a drop and gradual increase until day 18. Following exposure, high numbers of Aspergillus-specific T cells accumulated specifically in lung tissues and presented a consistent Th1 phenotype. Experimentally exposed pigs did not develop clinical signs of infection. A brief, drug-induced immunosuppression before exposure significantly reduced the number of Aspergillus-specific T cells in lung tissues showing a decreased capacity to produce cytokines more than two weeks after discontinuing suppressive treatment. However, the initial blood response dynamics of Aspergillus-specific Th cells were similar between immunocompetent and - compromised pigs. Moreover, high doses of inhaled conidia led to a particularly strong increase of pulmonary Th17 responses already at day 4 post exposure with cross-reactivity to C. albicans. Thus, these data highlight the use of domestic pigs for addressing Aspergillus-specific T cell immunity and provide new opportunities for studying predisposing factors for infections with A. fumigatus and the potential of T cell-based diagnostic and therapy in human and veterinary medicine.