Aangeboren afweerreacties bij (myco) bacteriële meningitis Innate immune responses in (myco) bacterial meningitis G.Th.J. van Well Samenvatting Op 18 juni 2012 promoveerde dr. G.Th.J. van Well, kinderarts-infectioloog/immunoloog in het Maastricht UMC + aan de Vrije Universiteit te Amsterdam op het proefschrift getiteld Innate immune responses in (myco) bacterial meningitis. Het onderzoek werd verricht onder begeleiding van de promotoren prof. dr. A.M. van Furth (kinderarts-infectioloog/immunoloog in het VU medisch centrum te Amsterdam), prof. dr. J.J. Roord (hoogleraar Kindergeneeskunde aan de Vrije Universiteit te Amsterdam) en de copromotor prof. dr. S.A. Morré (immunogeneticus in het VU medisch centrum en directeur van het instituut voor Public Health Genomics van de Universiteit van Maastricht). Hieronder zijn de belangrijkste bevindingen beschreven. (Tijdschr Infect 2012;7:222-6) Inleiding De mensheid is in voortdurende interactie met al dan niet pathogene micro-organismen en de evolutie heeft vooral geselecteerd op vreedzame co-existentie van beiden. Succesvolle overleving voor de mens als soort wordt bepaald door de interacties tussen gastheer en pathogeen, vooral op cellulair niveau: co-existentie met wederzijds voordeel aan de ene kant en beschermende afweerreacties aan de andere kant. De menselijke afweerreacties tegen infectieziekten zijn gericht op het elimineren van het veroorzakende pathogeen, maar zijn vaak ook verantwoordelijk voor schade aan gezonde cellen en weefsels van de gastheer. Variatie in genen die coderen voor bij de afweer betrokken receptoren en signaaleiwitten, beïnvloeden de vatbaarheid voor, en de ernst van, infectieziekten zoals bacteriële meningitis. 1 De studies in dit proefschrift hebben als doel de details van de pathogenese en de gastheerrespons in geval van bacteriële meningitis te ontrafelen en te achterhalen hoe genetische variatie bovengenoemde processen en daarmee de uitkomst van ziekte beïnvloedt. Tuberculeuze meningitis Tuberculose is nog altijd een infectieziekte met een enorme omvang en samen met malaria en hiv de belangrijkste doodsoorzaak ten gevolge van een infectie. Eén derde deel van de wereldbevolking is besmet met de tuberkelbacil en jaarlijks overlijden ongeveer twee miljoen mensen aan deze ziekte. Hoewel primair een pulmonale infectie, leidend tot Auteur: dr. G.Th.J. van Well, kinderarts-infectioloog/immunoloog, vakgroep kindergeneeskunde, Maastricht UMC +, postbus 5800, 6202 AZ, Maastricht, tel.: 043 38 72 920, e-mailadres: g.vanwell@mumc.nl. Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld. Trefwoorden: aangeboren afweer, bacteriële meningitis, genetische variatie, pathogenese, tuberculose. Keywords: bacterial meningitis, genetic variation, innate immunity, pathogenesis, tuberculosis. Ontvangen 03 augustus 2012, geaccepteerd 17 november 2012. 222
6 1 Figuur 1. Schematische weergave van de volgorde van gebeurtenissen bij het ontstaan van tuberculeuze meningitis. granulomateuze ontsteking in de long, die kan doorgroeien naar de luchtwegen en dan leidt tot zogenoemde open tuberculose, kan het granuloom ook doorgroeien naar de bloed- en lymfevaten en op die manier naar andere delen van het lichaam worden versleept, waar het aanleiding geeft tot secundaire granuloomvorming. Tuberculeuze meningitis (TBM) is de meest gevreesde complicatie van tuberculose, met een hoge morbiditeit en overlevenden hebben vaak ernstige restverschijnselen. TBM komt relatief vaak voor bij jonge kinderen. In dit proefschrift wordt een retrospectief cohort van 554 kinderen met TBM in Zuid-Afrika beschreven; een land met incidentiecijfers voor deze ziekte die tot de hoogste wereldwijd behoren. In deze studie wordt de relatie tot de uitkomst na het doormaken van TBM beschreven. Variabelen die onafhankelijk geassocieerd waren met een slechte prognose waren etniciteit, verder gevorderd ziektestadium, hoofdpijn, convulsies, aangedane motorische functies, hersenstamstoornissen en cerebrale infarcering. 2 TBM begint met aspecifieke symptomen en de diagnose wordt meestal pas gesteld als er al irreversibele neurologische schade is opgetreden. Alle inspanningen zijn gericht op het eerder stellen van de diagnose. Om de details van de pathofysiologie en de inflammatoire reacties in geval van TBM beter te onderzoeken en te begrijpen, zijn proefdierstudies van vitaal belang. In het proefschrift wordt daarom een overzicht gepresenteerd van proefdiermodellen die ontwikkeld zijn om de pathofysiologie, en dan met name de granuloomvorming en de lokale afweerreactie in het centraal zenuwstelsel (CZS) in geval van TBM, te bestuderen. Het konijnenmodel lijkt menselijke ziekte het meest nauwgezet na te bootsen. Het muizenmodel is echter superieur in het bestuderen van de immunologische respons en is tevens heel geschikt om de genetica van de afweer te bestuderen. In het proefschrift wordt een nieuw muizenmodel beschreven om de pathofysiologie van TBM te bestuderen en vooral de inflammatoire mediatoren in het CZS. Rechtstreekse intracerebrale inoculatie van Mycobacterium tuberculosis genereert granuloomvorming in de muizenhersenen en bootst de menselijke pathoge- 223
nese van TBM na, waarbij subependymale Rich foci ontstaan na een primaire pulmonale infectie. 3 Van hieruit kan dan doorbraak naar het CZS plaats vinden wat aanleiding geeft tot acute ziekteverschijnselen. Een en ander is samengevat in Figuur 1 op pagina 223. Hoewel de patronen van cytokine en chemokine respons verschillen van de menselijke situatie, lijkt het een geschikt model om de inflammatoire respons in de hersenen te bestuderen en de receptoren en eiwitten die daarbij betrokken zijn te identificeren. Bacteriële meningitis door meningokokken en pneumokokken In het tweede deel van het proefschrift wordt ingegaan op de invloed van genetische variatie op de primaire aangeboren afweerreacties in het geval van bacteriële meningitis (BM). In Figuur 2 (a en b) wordt samengevat wat de sequentiële stappen zijn in de pathogenese van BM en van welke eiwitten en receptoren er relevante genetische variatie beschreven is, die van invloed is op vatbaarheid voor of ernst van invasieve bacteriële infecties die predisponeren voor BM. De meest relevante onderdelen in het ontstaan van BM zijn genen die de epitheliale adhesie van bacteriën beïnvloeden, de aangeboren herkenning van pathogenen en genen die coderen voor complement en cytokinen. 4 In het proefschrift worden in dit kader vier studies beschreven waarin associaties met genetische polymorfismen en de vatbaarheid voor of de ernst van BM worden vastgesteld. Het bestudeerde cohort bestaat uit 393 kinderen die BM doormaakten, waarvan 327 kinderen meningokokkenmeningitis (MM) hadden en 66 pneumokokkenmeningitis (PM). Van al deze kinderen werd, na informed consent, DNA uit het wangslijmvlies geëxtraheerd en de genotypes werden vergeleken met een etnisch gematcht cohort gezonde volwassenen. De sterkste associatie werd gevonden voor een genpolymorfisme in Toll-like receptor (TLR)-9, een intracellulaire receptor in afweercellen, betrokken bij de proinflammatoire respons en vatbaarheid voor het ontwikkelen van MM. Het TLR9+2848-A-allel werd significant vaker gevonden bij controles met gezonde personen in vergelijking met de groep van overlevenden van MM op kinderleeftijd, hetgeen een beschermend effect van dit genpolymorfisme impliceert. De biologische consequentie van deze genetische variatie lijkt gelegen in het feit dat het de mogelijkheid van TLR9 om moleculaire motieven op het oppervlak van meningokokken te herkennen, beïnvloedt. Het heeft tot gevolg dat de afweerreactie ten gunste wordt gestimuleerd waarmee het beschermt tegen ernstige ziekte in het geval van nasofaryngeale kolonisatie met meningokokken. 5 Een tweede studie naar de rol van TLR9 bij BM beschrijft TLR9-genotypen binnen de groep van meningitis overlevenden die geclusterd zijn op grond van variabelen die de ernst van ziekte bepalen. Zowel TLR9-1237 als TLR9+2848-polymorfismen waren geassocieerd met verlaagde incidentie van bacteriëmie door meningokokken en tevens met een meer uitgesproken inflammatoire respons in het CZS, weerspiegeld door een hoger celgetal in de liquor en lagere glucosewaarden in de liquor in vergelijking met die in het bloed. Het lijkt er dus op dat dragers van deze polymorfismen relatief beschermd zijn tegen het krijgen van bacteriëmie of sepsis met meningokokken na kolonisatie. In geval van onverhoopte acquisitie van een dergelijk pathogeen in de bloedbaan en eventueel daarop volgende invasie van het CZS, zijn de dragers van deze polymorfismen beter in staat de bacteriën te klaren uit de liquor, echter wel tegen de prijs van meer inflammatie en daaraan gerelateerde schade aan gezond neuronaal weefsel, weerspiegeld door een hogere incidentie van gehoorverlies na het doormaken van MM. 6 Een tweetal studies in het proefschrift keek naar het effect van combinaties van meerdere genpolymorfismen betrokken bij de aangeboren afweerreactie op vatbaarheid voor en de ernst van BM. Genotype frequenties van TLR4+896 en nucleotide binding oligomerization domain 2 (NOD2)-SNP8 waren significant geassocieerd met vatbaarheid voor MM. Daarnaast konden er twee combinaties van aan elkaar gerelateerde genen worden onderscheiden, namelijk polymorfismen in TLR2 en TLR4 alsmede in TLR4 en NOD2. Deze waren beiden sterk geassocieerd met de vatbaarheid voor het krijgen van MM. De relatie tussen genpolymorfismen en de ernst van BM, werd onderzocht door de genotypeverdeling van elf variaties in zeven immuunresponsgenen te bekijken bij meningitis overlevenden die geclusterd werden op grond van dertien klinisch variabelen geassocieerd met de ernst van de ziekte. TLR4+896-mutante allelen 224
6 2 Figuur 2. Stapsgewijze ontstaanswijze van bacteriële meningitis door pneumokokken (a) en meningokokken (b). waren sterk geassocieerd met gehoorverlies na het doormaken van meningitis. In een multigenanalyse bleek het gecombineerde dragerschap van TLR2+ 2477-wild type met TLR4+896-mutante allelen het risico op gehoorverlies te vergroten. Dragerschap van één of meerdere mutante allelen van TLR4+896 of TLR9-1237 vergrootte ook het risico op gehoorverlies na het doormaken van meningitis. 7 225
Conclusies Variatie in immuunresponsgenen draagt bij aan de vatbaarheid voor, en de klinische ernst van, alsmede de prognose van BM. De aangeboren eerstelijnsafweer speelt een belangrijke rol in de afweer tegen BM en daaraan gerelateerde neuronale en cochleaire schade. Genetische markers kunnen gebruikt worden om hoog-risicopatiënten te identificeren door voorspelregels te ontwikkelen om het patiëntspecifieke risico op gehoorverlies en andere langetermijngevolgen van BM te inventariseren. Daarnaast geeft het meer inzicht in de ingewikkelde immuunrespons in het CZS, hetgeen mogelijk weer resulteert in nieuwe therapeutische strategieën. Referenties 1. Hill AV. The Immunogenetics of human infectious diseases. Annu Rev Immunol 1998;16:593-617. 2. Van Well GT, Paes BF, Terwee CB, et al. Twenty years of pediatric tuberculous meningitis: a retrospective cohort study in the Western Cape of South Africa. Pediatrics 2009;123:e1-8. 3. Van Well GT, Wieland CW, Florquin S, et al. A new murine model to study the pathogenesis of tuberculous meningitis. J Infect Dis 2007;195:694-7. 4. Sanders MS, Van Well GT, Ouburg S, et al. Genetic variation of innate immune response genes in invasive pneumococcal and meningococcal disease applied to the pathogenesis of meningitis. Genes Immun 2011;12(5):321-34. 5. Sanders MS, Van Well GT, Ouburg, S, et al. Single nucleotide polymorphisms in Toll-like receptor 9 are highly associated with susceptibility to bacterial meningitis in children. Clin Infect Dis 2011;52(4):475-80. 6. Sanders MS, Van Well GT, Ouburg S, et al. Toll-like receptor 9 polymorphisms are associated with severity variables in a cohort of meningococcal meningitis survivors. BMC Infect Dis 2012;11;12(1):112 (Epub ahead of print). 7. Van Well GT, Sanders MS, Ouburg S, et al. Polymorphisms in Toll-like receptors 2, 4, and 9 are highly associated with hearing loss in survivors of bacterial meningitis. PLoS One 2012;7(5):e35837. Epub 2012 May 25. 226