Chitina şi chitinazele – o nouă ţintă terapeutică în imunologia aparatului respirator

Nicolae Demenciuc; Paul  Grama; Corina Ureche

Chitin and chitinases – a new therapeutic target in lung immunity

First published: 31 mai 2023

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/Aler.7.2.2023.8201

Deşi în ultima perioadă terapia antiastmatică a înregistrat progrese importante, astmul sever, în special cel corticorezistent, rămâne o provocare importantă de rezolvat. Astmul alergic este o patologie pulmonară inflamatorie, care afectează milioane de persoane pe întregul glob. În ultimele decenii, tot mai multe studii au încercat să determine rolul chitinei şi al chitinazelor în patofiziologia răspunsului imun la nivel pulmonar. Chitina este un polimer omniprezent în viaţa omului, intrând în componenţa multor alergeni bine documentaţi, cum ar fi: exoscheletul crustaceelor, peretele celular al fungilor, ouăle de nematode etc. Chitina, în urma declanşării mecanismului imunologic Th2 dominant, induce producerea de IL-4 şi IL-13, prin urmare dezvoltându-se inflamaţia eozinofilică a căilor aeriene, metaplazia celulelor Goblet şi hiperreactivitatea bronşică. Mai nou, au fost descoperiţi inhibitorii de chitinaze, care se pare că ar fi eficienţi în tratarea pacienţilor cu patologie inflamatorie pulmonară. Prin această sinteză din literatură am dorit să aducem în atenţie mecanismele imunologice care stau la baza interacţiunii dintre chitină şi aparatul respirator, rolul chitinei şi al chitinazelor în patologia pulmonară şi ultimele informaţii privind studiile realizate cu inhibitorii de chitinaze, care ar urma să devină un nou instrument în tratarea astmului şi nu numai.

Cuvinte cheie

chitină chitinază inhibitor de chitinază astm

Introducere

Chitina este al doilea cel mai răspândit biopolimer pe glob, după celuloză. Acest polizaharid a fost pentru prima dată descoperit de Benecke în 1905, în urma izolării Bacillus chitinivorous⁽¹⁾. Chitina este un component structural al peretelui celular al bacteriilor şi fungilor, al exoscheletului crustaceelor⁽²⁾, insectelor^(3,4), ouălor de nematode⁽⁵⁾ şi excrementelor acarienilor⁽⁶⁾. În pofida cantităţilor enorme de chitină, acumularea acesteia nu se întâmplă din cauza bacteriilor şi a altor saprofiţi, care au capacitatea să o catabolizeze. Mamiferele, inclusiv oamenii, nu pot nici sintetiza, nici metaboliza acest polizaharid, însă sunt echipaţi cu enzime care prin acţiunea lor transformă acest polimer, ajutându-se la detectarea şi prezentarea ulterioară a acestuia sistemului imunitar. Exemple de astfel de enzime sunt acidic mammalian chitinase (AMCase) şi chitotrisidase (CHIT1). Chitina, fiind un compus netoxic şi biodegradabil, a fost intens cercetată pentru aplicabilităţile sale deja documentate sau potenţiale în domeniile biomedicale⁽⁷⁾. În zilele noastre, aceasta este folosită în biomedicină şi biotehnologii precum fixarea enzimatică în industria alimentară⁽⁹⁾, fixarea anticorpilor în prezenţa alginatului⁽⁸⁾, pensarea şi vindecarea rănilor⁽¹⁰⁾, terapii anticancer⁽¹¹⁾ sau inginerie tisulară⁽¹²⁾. La rândul lor, chitinazele, în special CHIT1, sunt intens cercetate ca adjuvant în cazul vaccinurilor⁽¹³⁾ şi, mai nou, ca ţintă terapeutică în diverse patologii cu substrat imunologic, cum ar fi astmul sau sarcoidoza⁽¹⁴⁾.

Detectarea de către sistemul imunitar

Chitina şi chitosanul, un derivat important al acesteia, sunt detectate de către sistemul imunitar al mamiferelor cu ajutorul chitinazelor şi a chitinases-like proteins (CLPs), care au capacitatea de a se lega de chitina expusă la suprafaţa patogenilor^(15,16). FIBCD1, NKR-P1 şi RegIIIc au fost identificaţi ca receptori pentru chitină. Mai mult decât atât, TLR2 (toll-like receptor 2), dectin 1 şi receptorul pentru manoză, de asemenea, participă la acest răspuns imun^(17,18,19).

Recent, He şi colab. au identificat un nou receptor, denumit LYSMD3, aflat la nivelul celulelor epiteliale bronşice şi al alveolocitelor de tip II⁽²⁰⁾. Acest receptor a jucat un rol-cheie în detectarea fungilor, în special Candida albicans şi a sporilor de Alternaria, iar supresia de ARN pentru LYSMD3 a cauzat abolirea aproape în totalitate a producţiei de IL-6 şi IL-8⁽²⁰⁾.

Imunitatea înnăscută

După cum a fost menţionat anterior, chitina este detectată de către sistemul imunitar ca un PAMP (pathogen-associated molecular patterns) prin receptori membranari specifici⁽²¹⁾. Receptori care leagă chitina din peretele celular al fungilor s-au identificat în cantităţi mari la suprafaţa celulelor sistemului imunitar, în special a macrofagelor. Imediat după detectarea chitinei de către celulele imunităţii înnăscute, se declanşează sinteza de citokine, care determină fenotipul celular implicat în reacţia imună care survine. Activarea receptorului Dectin-1 declanşează maturizarea fagocitelor şi expresia CCL2, IL-25, IL-33 şi TLSP de către celulele epiteliale de la nivel bronşic. Aceste citokine induc secreţia de IL-5 şi IL-13 de către ILC2 (type 2 innate lymphoid cells), care, la rândul său, joacă un rol esenţial în recrutarea eozinofilelor şi activarea macrofagelor⁽²²⁾. TLR-2/MyD88 şi dectin-1/TLR2 au fost raportate ca posibile căi de semnalare intracelulară pentru secreţia de IL-17 indusă de către chitină⁽²³⁾.

Numeroase studii au încercat administrarea intranazală a particulelor de chitină, mimând inhalarea de aeroalergeni. Lee şi colab. au demonstrat că inhalarea de chitină a indus activarea macrofagelor prin expresia de IL-12, TNF-α şi IL-18, rezultând în producerea de IFN-γ, în cea mai mare parte de către celulele NK⁽²⁴⁾. Administrarea intravenoasă s-a demonstrat a induce creşterea stresului oxidativ la nivelul macrofagelor alveolare⁽²⁵⁾. De asemenea, s-a dovedit capacitatea chitinei injectate de a induce o acumulare a IL-4 şi a leukotrienei B4, a celulelor Th2, a eozinofilelor şi bazofilelor la nivelul diferitor organe, inclusiv cel pulmonar⁽²⁶⁾.

Luând în considerare valorile crescute de IL-33 în LBA (lavaj bronhoalveolar) şi expresia crescută a acesteia la nivelul alveolocitelor tip II, Yasuda şi colab. au demonstrat rolul IL-33 în inducerea eozinofiliei la şoarecii trataţi cu chitină⁽²⁷⁾. În urma infecţiei cu nematode, asemenea Strongyloides venezuelensis, IL-33 produsă la nivelul alveolocitelor tip II, alături de IL-25 şi TSLP, induce proliferarea şi activarea ILC2, în urma cărorase produc IL-5 şi IL-13. Cele din urmă sunt considerate citokinele-cheie în inflamaţia eozinofilică de la nivelul plămânilor⁽²⁸⁾. Mai exact, IL-5 stimulează activarea eozinofilelor şi le creşte supravieţuirea, în timp ce IL-13 induce hiperreactivitatea bronşică şi, alături de IL-9, declanşează producerea de mucus⁽²⁹⁾.

O altă arie de cercetare, încă puţin abordată, este activarea sistemului complementului de către chitină. Roy şi colab. au obţinut rezultate care sugerează calea alternativă ca fiind principalul mecanism în activarea complementului de către chitină⁽³⁰⁾.

Pe lângă caracteristica intrinsecă de a induce sensibilizare, chitina s-a dovedit a manifesta şi caracteristicile unui adjuvant în cazul altor alergeni. Choi şi colab. au demonstrat capacitatea chitinei derivate de la acarieni de a potenţa inflamaţia în căile aeriene, indusă de ovalbumină, un alergen des folosit în experimente pentru inducerea sensibilităţii. Acest fenotip de sensibilizare este asociat cu o expresie crescută a citokinelor Th1, Th2 şi Th17, alături de sensibilizarea alergen-specifică, în special IgE, IgG1 şi IgG2a. Mai mult decât atât, tratarea ulterioară cu chitinaze, asemenea mutaţiei genei TNF-α şi a absenţei TLR2, a declanşat „creşterea” fenotipului Th1 şi Th17 şi inhibarea fenotipului Th2⁽³¹⁾.

Imunitatea dobândită

Se cunoaşte că imunitatea dobândită joacă un rol-cheie în răspunsul nostru la infectarea cu fungi. Pentru a evidenţia care fenotip T helper domină în infecţiile fungice, O’Dea şi colab. au infectat două grupuri de şoareci cu două culturi fungice izolate de Aspergillus, Af293 (cu conţinut scăzut de chitină) şi Af5517 (cu conţinutul crescut de chitină). Ei au depistat că în al doilea grup celulele T CD4+ din LBA au avut secreţii mai mici de IFN-gama, însă cantităţile de IL-4 au fost crescute, urmând şi o recrutare a eozinofilelor în lumenul bronşic. Modificările cantitative ale citokinelor s-au normalizat odată cu expresia chitinazei⁽³²⁾.

În ultimul deceniu, tot mai multe studii au încercat să evidenţieze şi rolul chitinazelor în formarea răspunsului imun dobândit în cazul infecţiilor fungice. Cercetările realizate pe şoareci infectaţi cu C. neoformans au evidenţiat declanşarea unui răspuns patologic Th2 în urma recunoaşterii chitinei de către chitotriosidază⁽³³⁾. De asemenea, secreţiile crescute de chitinaze s-a demonstrat a fi strâns asociate cu patologiile care au la bază mecanisme imunologice Th2 dominante, de exemplu fibroza, alergiile, astmul bronşic şi, mai nou, sarcoidoza^(14,34).

Chitinazele şi inhibitorii de chitinaze

După cum a fost menţionat anterior, în organismul mamiferelor au fost identificate două chitinaze distincte: chitotriosidaza sau chitinase 1 (CHIT1)^(36,37) şi acidic mammalian chitinase (AMCase)^(38,39). De asemenea, au fost descrise enzime care sunt lipsite de o componentă catalitică, dar prezintă capacitate de legare a chitinei^(40,41). Ele au fost denumite chitinase-like proteins (CLPs) sau Chi-Lectins (CHiLs)⁽⁴²⁾.

CHIT1

Van Ejik şi colab. au dezvăluit faptul că mutaţiile genelor codificatoare ale CHIT1 predispun la o varietate mare de infecţii, cum ar fi: Candida albicans, Wuchereria bancrofti, Cryptococcus neoformans, Plasmodium falciparum şi bacterii Gram-negative⁽⁴³⁾. Pe de altă parte, polimorfismul A442G CHIT 1 cauzează o susceptibilitate crescută de atopie la copii⁽⁴⁴⁾.

Bargagli şi colab.⁽⁴⁵⁾ şi Iyer şi colab.⁽⁴⁶⁾ au descris asocierea dintre valorile crescute de CHIT1 şi etapa inflamatorie întârziată a tuberculozei şi a leptospirozei.

Di Rosa şi colab. au raportat o expresie crescută a ARNm CHIT1 în monocite în urma tratamentului cu IL-4⁽⁴⁹⁾.

Gavala şi colab. au formulat rolul CHIT1 în cazul astmului şi al hiperreactivităţii bronşice⁽⁴⁷⁾, iar Lee şi colab. au demonstrat modul în care această enzimă, prin intermediul IL-13, este implicată în fibroza alveolară⁽⁴⁸⁾.

AMCase

Activitatea AMCase este strâns asociată cu condiţiile patofiziologice mediate de celulele Th2⁽⁵⁰⁾. Matsumoto şi colab. au demonstrat o corelaţie semnificativă între prevalenţa astmului bronşic nou diagnosticat şi expunerea la chitină în industriile de prelucrare a crustaceelor⁽⁵¹⁾. Pe de altă parte, pretratarea chitinei cu AMCase s-a demonstrat a diminua efectul inflamator al acesteia⁽⁵²⁾.

Mai mult decât atât, tratamentul inhalator cu chitinaze sub formă aerosolizată s-a dovedit a îmbunătăţi clearance-ul chitinei provenite din mediu ambiant (de exemplu, acarieni), cu potenţial beneficiu în cazul prevenţiei şi/sau tratamentului fibrozei pulmonare idiopatice⁽⁵³⁾.

Inhibitorii chitinazei

Zhu şi colab. au evidenţiat efectul antiinflamator al inhibitorilor chitinazei în cazul astmului şi al alergiilor, în special al dermatitei atopice şi al rinitei alergice⁽⁵⁴⁾.

În ultimele decenii s-au identificat tot mai mulţi inhibitori ai chitinazelor^(55,56). Cel mai studiat inhibitor este allosamidin, un trizaharid sintetizat încă din 1999^(57,58). Studii pe şoareci astmatici au confirmat eficacitatea acestuia prin scăderea celulelor inflamatorii în urma blocării de AMCase⁽⁵⁴⁾. Un derivat al allosamidinului, denumit demethylallosamidin (Dma), s-a demonstrat a avea un impact mult mai semnificativ asupra hiperreactivităţii bronşice cauzate de IL-13^(59,60,51). De asemenea, Andersen şi colab. au reuşit obţinerea de argifin, un peptid natural care are potenţialul de a inhiba chitinaza B1 a Aspergilus fumigatus (AfChiB1), dar şi CHIT1 şi AMCase în cazul şoarecilor astmatici⁽⁶¹⁾. În prezent sunt mai multe studii clinice în derulare privind efectul terapeutic al inhibitorului de CHIT1 în cazul patologiei inflamatorii la nivel pulmonar, în special la pacienţii astmatici, şi al fibrozei pulmonare idiopatice⁽⁶⁸⁾.

De asemenea, Sanfilippo şi colab. au descris mai mulţi derivaţi ai amudinoureei, ca potenţiali agenţi terapeutici în cazul infecţiilor fungice, în special al candidozei, şi al patologiei IL-13-mediate, în special astmul şi patologia alergică a căilor respiratorii⁽⁶²⁾. Studii asemănătoare au fost efectuate şi de Golebiowski şi colab.⁽⁶³⁾ şi Corman şi colab.⁽⁶⁴⁾, cu produşi sintetici ai aminotriazolilor şi sărurile acestora.

În literatura de specialitate au fost descrise şi studii pe inhibitori de CLPs, cu rezultate promiţătoare privind ameliorarea inflamaţiei în cazul patologiei pulmonare IL-13-mediate^(65,66,67).

Discuţie

Una dintre provocările care stă în faţa cercetătorilor este identificarea proprietăţilor fizice şi biochimice la care chitina şi enzimele sale să aducă un beneficiu net. S-a dovedit că dimensiunea, forma, sursa şi gradul de purificare ale polimerului pot afecta în diferite moduri răspunsul imunologic declanşat în urma detectării acestuia, profilul citokinic, timpul şi semnificaţia celulelor recrutate^(4,70). De exemplu, la şoareci murini pretrataţi cu particule purificate de chitină, extrase de la C. albicans au avut o rată de supravieţuire superioară celei din grupul de control pretratat cu placebo. Pe de altă parte, chitina ultrafiltrată, extrasă la fel, de la C. albicans, nu a demonstrat rezultatele scontate⁽⁶⁹⁾. Mai mult decât atât, polimerii de dimensiuni mari s-au demonstrat a fi inerţi biologic, în timp ce particulele mici de chitină induc răspunsuri imune semnificative⁽⁷¹⁾.

O altă chestiune la care, actualmente, încă se caută răspuns este identificarea rolului major al chitinazelor în declanşarea imunităţii la oameni. Studiile clinice în derulare, bazate pe tratarea cu inhibitori ai chitinazelor, au misiunea de a aduce noi argumente privind siguranţa şi eficienţa acestor terapii la oameni, dar şi profilul de patologii pulmonare cu substrat alergic la care poate fi aplicat acest tratament⁽⁷²⁾.

Concluzii

Chitina, chitinazele şi CLPs sunt actualmente în pragul cercetărilor privind implicarea lor în patologia umană. Bazându-se pe argumentele indubitabile aduse de nenumărate studii privind implicarea acestora în patofiziologia alergiei şi a patologiei pulmonare, cercetătorii încearcă clasificarea chitinei şi a chitinazelor ca biomarkeri fideli şi/sau ţinte terapeutice potente în managementul patologiei pulmonare inflamatorii. În particular, astmul corticorezistent cauzat de colonizarea fungică ca sursă de chitină ar putea fi un impas depăşit cu succes în urma aprobării de noi terapii care ţintesc acest polimer ubicuitar.

Conflict de interese: niciunul declarat

Suport financiar: niciunul declarat

Acest articol este accesibil online, fără taxă, fiind publicat sub licenţa CC-BY.

Chitina şi chitinazele – o nouă ţintă terapeutică în imunologia aparatului respirator

Chitin and chitinases – a new therapeutic target in lung immunity

Abstract

Rezumat

Bibliografie

Articole din ediţiile anterioare

Utilitatea probelor funcţionale în diagnosticul astmului alergic

Infecţiile virale şi astmul

Efecte adverse neuropsihice induse de montelukast

Dermatita atopică şi astmul – interrelaţii clinice