Mönsterigenkänningsreceptorer i mikrobiell keratit | öga

Mönsterigenkänningsreceptorer i mikrobiell keratit | öga

Anonim

ämnen

  • antibiotika
  • Hornhinnssjukdomar
  • Infektionssjukdomar
  • farmakodynamik

Abstrakt

Mikrobiell keratit är en betydande orsak till global synskada och blindhet. Hornhinneinfektion kan orsakas av en mängd olika patogener, som var och en uppvisar ett antal mekanismer genom vilka immunsystemet aktiveras. Komplexiteten i immunsvaret på hornhinnesinfektion börjar först klarläggas. Avgörande för hornhinnens försvar är mönsterigenkänningsreceptorerna: Toll-liknande och Nod-liknande receptorer och efterföljande aktivering av inflammatoriska vägar. Dessa inflammatoriska vägar inkluderar inflammasomen och kan leda till betydande vävnadsförstörelse och hornhinneskada, med potential för resulterande blindhet. Att förstå immunmekanismerna bakom denna vävnadsförstörelse kan möjliggöra förbättrad identifiering av terapeutiska mål för att hjälpa till att utveckla mer specifika terapier för att minska hornhinneskador vid infektiös keratit. Denna översikt sammanfattar aktuell kunskap om mönsterigenkänningsreceptorer och deras nedströmsvägar som svar på de viktigaste keratit-orsakande organismerna och hänvisar till potentiella terapeutiska tillvägagångssätt som kan lindra hornhinneblindhet.

Introduktion

Hornhinnssjukdom är ett betydande och ofta underrapporterat problem. Den senaste uppdateringen av Världshälsoorganisationen (WHO) uppskattar att 1% av den globala synskadan beror på hornhinnesinfektion eller inflammation. 1 Av de som rapporteras som blind, bidrar hornhinnens opacitet till 4%, vilket gör den till den fjärde vanligaste orsaken till blindhet världen över; den huvudsakliga etiologiska faktorn är infektiös keratit. I vissa delar av världen kan hornhinneblindhet orsakas av keratit hos så många som 20% av vuxna och 40% av barnen. 2 Trauma orsakat av jordbruksaktivitet är en viktig faktor i dess utveckling. Infektiös keratit i Storbritannien resulterar i att ~ 4000 personer årligen behöver sjukhusbehandling 3 och studier i USA har visat en ökning i fall som är förknippade med ökande slitage på kontaktlinser. 4, 5 Särskilt viktigt är det faktum att i både länder med högre inkomst och låginkomst ofta drabbas hornhinnssjukdomar människor i arbetsålder, vilket orsakar betydande associerad sjuklighet och synskadadhet. 2, 6 I de flesta delar av världen är bakterier de ledande patogenerna och trots användning av antibiotika förekommer fortfarande irreversibel hornhinneskada.

Synskada vid infektiös keratit resulterar som en konsekvens av (i) interaktioner av patogen med värdvävnaden, (ii) värdens medfödda inflammatoriska respons, och (iii) terapeutiska läkemedel som används för att behandla infektionen. Styrkan hos detta inflammatoriska svar och dess tillhörande skada kan variera beroende på patogen och infektionens svårighetsgrad. Försök görs för att bättre förstå mekanismerna bakom patogenigenkänning och vara värd för medfödda immunsvar i syfte att identifiera framtida mål för immunmodulerande terapier. Om målinriktade terapier kan uppnås, kan den inflammatoriska skador och synförlust som för närvarande orsakas av hornhinnesinfektion och dess behandling reduceras, med en tillhörande förbättring av synutfallet och minskning av sjuklighet.

Mönsterigenkänning av patogener i hornhinnan

Hornhinnebarriärer mot infektion

Det intakta hornhinnepitelet är en formidabel barriär mot bakteriell penetration i djupare lager. 7 Detta beror delvis på de snäva övergångarna mellan ytliga celler och också delvis på grund av antibakteriella peptider och medfödd immunsignalering. 8, 9, 10, 11, 12 Dessutom innehåller bada tårvätska muciner, sekretoriskt immunglobulin A (sIgA) och ytaktivt protein D, alla antimikrobiella faktorer som kan binda mikrober och potentiellt förändra deras interaktioner med hornhinnepitelceller. 13, 14, 15 Epitelceller uttrycker också flera antimikrobiella peptider, inklusive humant P- defensin 2 (hBD-2), cathelicidin LL-37, 11, 12, 16, 17 och cytokeratin 6A. 18 Dessutom kan ytliga epitelceller internalisera bakterier och sedan avkamera och därmed minska den infektiva belastningen. 19 Trots dessa försvar, om mikroorganismer lyckas korsa det flerskiktade hornhinnens epitel, utgör epitelkällarmembranet fortfarande en formidabel barriär för ytterligare penetrering. Detta beror på fysisk filtrering via dess porer som är mindre än storleken på de flesta bakterier, 20 eller genom att förbättra barriärfunktionen hos epitelcellerna som växer ovanpå dem. 21

Genomträngning av bakterier till stroma kräver vanligtvis ett brott i hornhinnens epitel, antingen genom mekaniskt trauma, såsom epitelbrott, eller genom intrastromal ympning, som händer i djurmodeller av mikrobiell keratit, i vilka patogener antingen inokuleras på en förskräckt hornhinneyta eller injiceras intrastromalt. 22 Liknande mekanismer kan också vara involverade i svamp- och protosoaninfektioner. I vissa fall med förlängd kontaktlinser kan emellertid infektion och penetration ske utan epitelbrott. Detta kan bero på bildning av biofilm på kontaktlinsytorna, där bosatta bakterier endast utsätts för sublethala koncentrationer av värdantimikrobiella medel och andra försvarsfaktorer, varigenom bakterier kan anpassas och övervinnas. 7

Epiteliala hinder för infektion består därför av försvar mot vidhäftning och genomgång. Detta involverar sannolikt korsningskomplex, utsöndrade och inre antimikrobiella peptider, muciner och basalaminalfundamentet som ger en fysisk barriär och samtidigt stöder epitelial homeostas. Under och efter mikrobiell utmaning förbättras och regleras hornhinnens epitelförsvar genom epitel-härledda cytokiner och kemokiner som kan underlätta kommunikation med immunsystemets celler för att ytterligare förstärka hornhinneförsvar.

Medfödda immunceller i däggdjurshornhinnan

Ett stort antal patogena organismer kan infektera hornhinnan med olika infektionsmekanismer och virulens (se tabell 1). Även om ögat under normala omständigheter uppvisar en viss immunförmåga måste hornhinnan ändå ha ett sätt att upptäcka och bekämpa dessa patogener.

Full storlek bord

Det senaste arbetet har identifierat att immunceller inklusive makrofager och dendritiska celler har nyckelroller för att upptäcka och initiera det medfödda immunsvaret i hornhinnan, uttrycka mönsterigenkänningsreceptorer (PRR), såsom Toll-liknande receptorer (TLR) och NOD-liknande receptorer ( nukleotidbindande oligomeriseringsdomäner; NLR: er. PRR känner igen invarianta patogenstrukturer kända som patogenassocierade molekylära mönster (PAMP). TLR upptäcktes i humana immuncellinjer i slutet av 1990-talet 38 och det noterades att aktivering av dessa receptorer hos människor producerade en kaskad av inflammatoriska cytokiner såsom IL-1, IL-6 och IL-8 via NF-kB. Hittills har 10 av dessa TLR-molekyler identifierats i människor, var och en av dem känner igen specifikt konserverade regioner av patogener eller deras produkter. Erkännande av dessa bevarade domäner inducerar en signalväg som resulterar i ett pro-inflammatoriskt svar, med resulterande vävnadsskada och potential för synförlust. Tabell 2 sammanfattar de huvudsakliga domänerna som känns igen av varje medlem av TLR-familjen. NLR: er diskuteras i samband med inflammasomer nedan.

Full storlek bord

Tidiga försök att identifiera närvaron av myeloida härledda celler i hornhinnan drog slutsatsen att Langerhans celler (LC) var närvarande i den perifera tredjedelen av humant hornhinnepitel 43, 44, 45 men att antigenpresenterande celler och andra benmärgsledda linjer var i stort sett frånvarande från den centrala hornhinnan. Detta ledde till tron ​​på att hornhinnan var en immunförmånlig struktur, så att när dess regleringsmekanismer tycktes bryta ut tänkte det bero på yttre faktorer såsom ympning av hornhinnan. 46, 47, 48 Emellertid har bosatta hornhinnamakrofagpopulationer observerats i murina och humana hornhinnor. 47, 49, 50 En bild framträder nu av en stratifierad bosatt myelooidpopulation i den humana hornhinnan, med huvudhistokompatibilitetskomplex (MHC) II + / CD45 + benmärgs-härledda celler närvarande i alla lager i perifera stroma, såväl som i den främre stroma i den centrala hornhinnan. 51 Klassificering av cellytemarkörer har gjort det möjligt att identifiera cellstamning: myeloida härledda dendritiska celler (DC) anses vara CD11c +, medan monocyt-härledda linjer, inklusive LC: er, är CD14 + . 52

Hamrah et al 53 observerade att vissa murina DC i periferin av den främre stroma också uttrycker MHC II, CD80 och CD86, men DC: erna som ligger i mitten uppvisar en omogen, MHC II - CD80 - CD86 - fenotyp tills inflammation induceras. Arbet av Knickelbein et al 49 hos människor har identifierat att CD11c + DC finns i basalepitel och anterior perifer stroma. LCs verkar vara övervägande begränsad till det basala epitelskiktet i den perifera hornhinnan med mycket få celler närvarande i det perifera stroma. Det har visat sig att makrofager till stor del finns i den främre stromen. Närvaron av dessa benmärgs-härledda celler i hornhinnan har visat sig vara avgörande för att belysa hornhinnans immunrespons på infektion.

Intracellulära nodliknande receptorer och aktivering av inflammasom efter patogenigenkänning

Begreppet inflammasom myntades 2002 54 och genererade snabbt intensiv studie, vilket tillförde en ny dimension till vetenskaplig förståelse av inflammation och medfödd immunitet. NLR: er intracellulära PRR: er uttryckta i immunceller som avkänner invaderande mikroorganismer och initierar det medfödda immunsvaret. Filogenetiska studier föreslår tre NLR-subfamilier baserade på en strukturell nukleotidbindande domän som finns i dessa receptorer: (1) NOD (nukleotidbindande oligomeriseringsdomän); (2) NLRP (pyrindomän; PYD); och (3) NLRC (kaspasassocierad rekryteringsdomän, CARD), även känd som IPAF. 55

Som svar på intracellulära PAMP: er inducerar vissa NLR: er sammansättningen av multiproteinkomplex benämnda inflammasomer som fungerar som plattformar för kaspasaktivering och följaktligen mognad av de pro-inflammatoriska mediatorerna IL-1ß och IL-18. Detta inflammatoriska svar kallas pyroptos. Multiproteinsställningen beskrivs ofta som antingen en "kanonisk" eller en "icke-kanonisk" inflammasom. Den kanoniska inflammasomen beskriver den inflammasome plattformen som innehåller NLRP3, ASC-adapterproteinet som krävs för att rekrytera pro-caspase-1 (CASP1) och kaspaserna 1 eller 11. Den kanoniska inflammasomen är den mest studerade och väl karakteriserade. En icke-kanonisk inflammasom används för att hänvisa till något annat inflammasomkomplex innehållande andra molekyler än de som nämnts ovan. 55, 56, 57

Hittills har två inflammasomer identifierats som sammansättning på hornhinnans yta som svar på ett smittämne: NLRP3 och NLRC4 inflammasomer. Till skillnad från NLRC4 uttrycks den kanoniska NLRP3 inte konstitutivt i cellen och kräver TLR-aktivering för att inducera dess transkription via NF-kB-vägen. 58 Stimuleringen av NLRP3- och NLRC4-inflammasomer leder till aktivering av caspase-1, ett cysteinproteas som ansvarar för klyvning och frisättning av pro-IL-18 och pro-IL-1 ß . NLRC4 kräver tillbehörsproteiner som kallas Naips för dess stimulering, men kräver inte rekrytering av ASC-molekylen för aktivering av caspase-1. Associering med ASC förbättrar emellertid sammansättningen av inflammasomen och mognaden av de pro-inflammatoriska cytokinerna. 59, 60 NLRC4 kan också aktivera caspase-11 för pro-IL-18 och pro-IL-1 p- behandling. 61 Dessutom beskrev Meunier et al 62 nyligen kravet på att små GTPaser, kända som guanylatbindande proteiner, ska vara närvarande för fullständig stimulering av caspase-11. Figur 1. illustrerar huvudkomponenterna i inflammasomvägen.

Montering och aktivering av inflammasomen. NLRP3 och NLRC4 är de två hittills beskrivna inflammasomerna som sammansätts vid hornhinnans yta som svar på smittämnen. TLR4-stimulering inducerar Nlrp3- genuttryck och NLRP3-transkription; däremot uttrycks NLRC4 konstitutivt i cellen. 58 Båda inflammasomerna delar gemensamma strukturella domäner (nukleotidbindande domän och LRR) och förmågan att rekrytera adaptermolekylen ASC, vilket underlättar föreningen av pro-caspase-1. 56 Olika aktiveringsmekanismer har beskrivits för varje inflammasom: extracellulär ATP aktiverar NLRP3 via P2RX7-receptorstimulering som provocerar en minskning av de intracellulära K + -nivåerna. 68 Ändring av Cl- eller Ca 2+ -flöden eller produktion av reaktiva syrearter med mitokondrier (en följd av cellskada) kan också stimulera NLRP3-inflammasomen. Vidare främjar fagocytos av skadorassocierade molekylmönstermolekyler lysosomdestabilisering och frisättning av cathepsin B-protein i cytosolen, vilket aktiverar den kanoniska inflammasomen. 69, 70 NLRC4 aktiveras via internalisering av flagellin och komponenter i Pseudomonas bakteriell virulensfaktor typ 3 sekretionssystem. 65 NLRC4 behöver ett protein som kallas Naip för sin stimulering: Naip5-6-proteiner är ansvariga för att binda det internaliserade flagellinet och Naip2 binder komponenterna i typ 3-utsöndringssystemet. 56, 57, 59 Dessa inflammasomer leder till aktivering av Caspase-1-proteas. Caspase-1-proteas krävs för att klyva de pro-interleukiner som är nödvändiga för att generera de mogna formerna av IL-18 och IL-1 p . Cysteinproteaset Caspase-11 kan också aktiveras av NLRC4 och främja mognaden av dessa pro-interleukiner. 61

Bild i full storlek

Aspergillus fumigatus , en svampform, är känd för att stimulera NLRP3-inflammasomet och för att inducera mognad av pro-IL-1 ß till IL-1 ß , 63 och både NLRP3 och IL-1 ß- uttryck visade sig öka hos människor som lider av svamp keratitinfektion. 64 Pseudomonas aeruginosa hos möss kan aktivera NLRC4-inflammasomen genom immuncellinternisering av dess bakteriella flagellin, såväl som via komponenter i dess typ 3-utsöndringssystem. 65 Streptococcus pneumoniae pneumolysin har visat sig aktivera NLRP3 hos möss 66 och både S. pneumoniae och P. aeruginosa hornhinneinfektion orsakade uppreglerat uttryck av NLRP3 och NLRC4 i humant keratit. 67 Betydelsen av inflammasom och stimulering av pyroptos vid hornhinnesinfektion verkar därför vara en betydande bidragande faktor till vävnadsförstörelse och nedsatt syn.

Patogener som orsakar hornhinnesjukdom

Mönsterigenkänningsmekanismer aktiverade av mikrobiella patogener i hornhinnan

Pseudomonas aeruginosa

Den friska humana hornhinnan är naturligt resistent mot infektion. Detta kan hänföras till flera integrerade faktorer som har utvecklats över arter för att skydda ögat mot ett brett spektrum av mikrobiella patogener, inklusive bakterier, svampar, virus och protozoer. 7

P. aeruginosa är den vanligaste orsaken till Gram-negativ bakteriell keratit 29, 71 med en allvarligare klinisk kurs än andra bakteriella patogener om de inte behandlas. 72 Det friska ögat är i allmänhet skyddat mot P. aeruginosa- infektion. Även om odlade hornhinnepitelceller enkelt invaderas och dödas av de flesta kliniska och laboratorieisolat av P. aeruginosa, resulterar 19, 73 extremt stora ympningar av invasiva och cytotoxiska P. aeruginosa på intakta mus- eller råttkorneas in vivo i snabb bakteriell clearance från okulär yta utan patologi. 74 Detta antyder att det finns vissa försvarsmekanismer mot infektion i det friska ögat som saknas från laboratoriekulturförhållanden. Även om många P. aeruginosa- stammar växer lätt i outspädd tårvätska trots dess antimikrobiella komponenter såsom laktoferrin och lysozym, kan 75, 76 tårvätska fortfarande skydda hornhinnens epitelceller mot dem. 77, 78 Detta tros bero på att tårvätskan verkar direkt på hornhinnens epitelceller för att göra dem mer resistenta mot P. aeruginosa invasion och cytotoxicitet. 74

Om förhållanden möjliggör P. aeruginosa för att bryta hornhinneapitelet, dess lipopolysackarid (LPS) och flagellinmolekyler känns igen av TLR4 och TLR5 på makrofager av hornhinnestroma, 79 initierar en pro-inflammatorisk väg via den välkarakteriserade adaptermolekylen MyD88. MyD88 verkar vara avgörande för all TLR-signalering utom TLR3. 80

En annan adaptermolekyl som används av TLR4 är TIRAP (även känd som Mal); även om detta aktiveras vid P. aeruginosa- infektion verkar det inte mediera in vivo keratit. 79 TLR4 måste associeras med co-stimulatorisk molekyl MD-2 för att känna igen LPS; 81 tillbehörsproteiner lipopolysackaridbindande protein och CD14 överför LPS-molekylerna från bakterierna till TLR4 / MD-2-komplexet. 82 bosatta myeloida celler kan ge LPS-respons, 83 men även om TLR4 också uttrycks på humana hornhinnepitelceller, är MD-2 inte detekterbar. Det antas att MD-2-uttryck aktiveras genom infiltrering av immunceller, såsom naturliga mördande celler, som aktiverar JAK2 / STAT1-transkriptionsvägen och producerar IFN- y . 84, 85 I en musmodell av hornhinninflammation visade Chinnery et al 83 att TLR4-aktivering på bosatta hornhinnamakrofager och DC stimulerade makrofag och neutrofil rekrytering och inducerade hornhinnesnö.

Vid aktivering rekryteras många adapterproteiner för att initiera det inflammatoriska svaret (se figur 2). Förutom MyD88-vägen finns en icke-MyD88-väg via TRIF som också har visat sig vara närvarande i P. aeruginosa keratitis. 83 MyD88 / TRIF-vägar inducerar produktion av ett kemokin känt som CXCL1 / KC som rekryterar neutrofiler till hornhinnan från limbala blodkärl. MyD88 / TRIF-vägar främjar också produktionen av IL-1 a och IL-1 p , vilket skapar en positiv återkopplingsslinga via interleukin 1-receptorn IL-1R1-interaktion med MyD88. 79 Närvaron av TLR4 i murin hornhinnea P. aeruginosa- infektion har också förknippats med frisättningen av antimikrobiella faktorer såsom kväveoxid (NO), produkten av inducerbar kväveoxidsyntas (iNOS) och p- defensin 2. 86

Immunigenkänning av Pseudomonas aeruginosa molekylära mönster. LPS-bindande protein binder LPS från P. aeruginosa- cellväggen och komplexet känns igen av CD14-receptorn. CD14 överför LPS till MD-2-molekylen som är associerad med TLR4. MD-2 genomgår förändringar i sin konformation och utlöser stimuleringen av TLR4. TLR4 dimeriserar och rekryterar TIR-domäninnehållande adapterproteiner (TRIF och TIRAP) för att starta signaltransduktionen. TIRAP kräver MyD88-protein för dess aktivering, som också rekryterar IL-1-receptorassocierade kinaser IRAK4 och IRAK1. Fosforylering av IRAK1 med IRAK4 aktiverar E3 ubiquitinproteinligas TNFR-associerad faktor 6 (TRAF6). Detta aktiverar TGF- p- associerat kinas (TAK) 1 vilket resulterar i transkription av pro-inflammatoriska cytokiner via NF-kB och mitogenaktiverade (MAP) kinas / JNK-vägar. TLR3 kan också signalera via TRIF. 87 Aktivering av TLR3 / 4 rekryterar TRIF via TRAM som signalerar via RIP1 och TRAF6 till NF-kB- och JNK-vägarna. TRIF aktiverar också TRAF3, som via TBK1 och IKK fosforylerar IRF3 och stimulerar produktionen av interferoner av typ I. 80, 88, 89 ssDNA innehållande ometylerade CpG-motiv avkänns av TLR9. Till skillnad från de andra TLR som nämnts ovan är TLR9 lokaliserad i endosomen. Den aktiverar också den MyD88-beroende vägen. 39, 41

Bild i full storlek

Staphylococcus aureus

Även om studier konsekvent rapporterar Staphylococcus spp. eftersom några av de vanligaste orsakerna till bakteriell keratit resulterar sällan i kontakt med organismerna infektioner 90, 91, 92 . En studie av Moreau et al , 93 i vilken S. aureus applicerades topiskt på skarpa kaninögon resulterade i bakteriedödande och identifierade en roll för fosfolipas A2 i tårfilmen som ett avgörande bakteriedödande medel. Intressant nog tyder arbete av Heimer et al 94 på att infektion av humana hornhinnepitelceller in vitro den huvudsakliga skillnaden mellan toxigena och icke-toxigena stammar av S. aureus verkar vara en ökad aktivering av stressresponsmolekyler såsom värmechockproteiner vid exponering till en toxigen stam av S. aureus .

Erkännande av S. aureus vid hornhinnans yta har visat sig förmedlas av TLR2. 95, 96 Åtminstone tre olika PAMP: er har identifierats som bindning till TLR2 och aktivering av immunsvaret i S. aureus keratitis: bakteriella lipoproteiner, 95 peptidoglykanmolekyler, 97 och S. aureus protein A (SpA). 98 TLR2 aktiverar sedan MyD88-vägen; 95, emellertid, Kumar et al 98 visade att SpA också aktiverade andra vägar (p38 och ERK) via en okänd receptor, med hänvisning till TNF- a- receptor 1 (TNFR1) som en potentiell kandidat. Arbetet enligt Heimer et al 94 ger ytterligare stöd till denna teori: en stor ökning av den dendritiska cellens kemokin CCL20 identifierades när humana hornhinnepitelceller stimulerades med både toxigena och icke-toxigena stammar av S. aureus , som tycktes vara oberoende av TLR2-stimulering. Bakteriella lipoproteiner har också visats aktivera alternativa vägar till MyD88, inklusive p38 och ERK men också JNK. Detta resulterar i frisättning av pro-inflammatoriska mediatorer och kemotaktiska cytokiner såsom IL-6, IL-8 och ICAM-1 såväl som antibakteriella molekyler såsom NO. 95 Peptidoglycan visade sig aktivera alla fyra vägar beskrivna ovan; I denna studie identifierades också frisättning av humant p- defensin 2 av epitelcellerna, samma grupp bekräftade senare dess frisättning via vägar nedströms TLR2. 99 En studie av Adhikary et al 100 beskrev JNK-vägen som dominerande vid TLR2-aktivering.

Onchocerca volvulus (onchocerciasis)

Onchocerciasis beror på infektion med den mikrofilariella nematodormen Onchocerca volvulus , som kan ge en bländande keratit. Systemiskt svar på O. volvulus har visats variera baserat på olika immunologiska profiler, där vissa infekterade individer uppvisar inga symtom, medan andra utvecklar en allvarlig dermatit, så kallad sowda. 101, 102 Studier på djur antyder att tidigare exponering för O. volvulus antigener är nödvändig för att utveckla systemiska symtom, vilket indikerar en roll för det adaptiva immunsvaret. 103, 104 Ett starkt Th2-svar har implicerats med frisättning av IL-4, IL-5, IFN- y , IgG 1 och IgE. 105, 106, 107

På senare tid har uppmärksamheten inriktats på det faktum att O. volvulus upprätthåller ett endosymbiotiskt förhållande med Wolbachia- bakterier och att mikrofilaria släpper bakterieprodukter som aktiverar immunsvaret i humana embryonala njurceller och möss. 108, 109 Microfilaria kan invadera ögat och stimulera både medfödd och adaptiv immunitet. Erkännande av Wolbachia- produkter på makrofager och DC: er medieras av TLR2 / TLR6, vilket leder till MyD88 / TIRAP-aktivering och frisättning av pro-inflammatoriska cytokiner via NF-kB. 110 Tidigare arbete tyder på att Th2-immunsvar dominerar (se Pearlman och Hall 111 för granskning), men Turner et al 112 visade att aktiverade CD11c + DCs uppreglerar CD80- och CD86-vidhäftningsmolekyler och kan stimulera en CD4 + T-cellaktivering med en övervägande Th1 svar. Intressant nog visade denna studie också att Wolbachia- utarmning resulterade i en övergång till ett Th2-driven inflammatoriskt svar.

När de har aktiverats släpper makrofager ytterligare Th1-drivande cytokiner såsom IL-12 och TNF- a. 109, 111 Neutrofiler rekryteras från limbalkärlen via frisättning av CXC-kemokiner såsom CXCL1 och CXCL2 och uppreglering av vaskulära vidhäftningsmolekyler såsom PECAM-1. 113, 114 Eosinofilinfiltrering inträffar senare i sjukdomen men förvärrar det inflammatoriska svaret. 106, 114, 115, 116 Emellertid anses neutrofil involvering vara den drivande faktorn bakom den progressiva hornhinnesnäs som ses vid onchocerciasis. 116

svampar

De vanligaste medlen vid svampinfektion är Fusarium spp. och Aspergillus spp. 117 Jämfört med bakteriell keratit är svampkeratit ofta förknippat med sämre resultat 118 och är ett återkommande problem i många delar av USA med en nyligen ökad kontaktlinsebärare. 119, 120, 121 I utvecklingsländerna är okulär trauma en viktig riskfaktor. 31, 122, 123 Svampsporer har förmåga att tränga igenom kompromitterat epitel där de gror, och uttrycker β- glukan- och α -mannsmolekyler på deras yta. Dessa känns igen av receptorerna Dectin-1 och Dectin-2 på makrofager, som sedan signalerar via mjälte-tyrosinkinas (Syk) och CARD 9-proteiner för att aktivera NF-kB-pro-inflammatorisk väg. Detta producerar IL-1 P och kemokiner såsom CXCL1 och CXCL2. 124, 125 IL-1 P känns igen av IL-1R1-receptorn och aktiverar via MyD88 ytterligare pro-kemotaktiska cytokiner och uppreglering av vaskulära vidhäftningsmolekyler för att främja rekrytering av neutrofil. Leal et al har också visat en roll för TLR4 i svampdödande. 125 Analys av infekterade humana hornhinnor har avslöjat höga nivåer av IL-1 p , IL-8, IL-17 och TNF a i de tidiga stadierna av svampinfektion. Senare stadier identifierade CD3 + och CD4 + T-celler, med tillhörande höga nivåer av IL-17 och interferon- y. 126 En studie av Taylor et al 127 identifierade IL-17 som ett cytokin involverat i svampdödande; infiltration av Thl- och Th17-celler och en subpopulation av IL-17 som producerar neutrofiler möjliggjorde optimalt immunskydd.

Herpes simplexvirus

Herpes simplex-virus (HSV) tros vara den främsta globala orsaken till infektiös blindhet. HSV1 är oftare förknippat med oral och okulär patologi, medan HSV2 ofta överförs genom sexuell kontakt. 128 HSV-infektion presenterar dessutom det speciella problemet med återkommande infektion.

HSV1 binder till värdceller via membranglykoproteiner. Hittills har fem glykoproteiner beskrivits som förmedlar bindning och fusion med värdcellen: glykoprotein C (gC), gB, gD, gH och gL. Var och en av dessa har en roll i bindnings- och vidhäftningsprocessen för att möjliggöra den virala kapsiden att komma in i cellen. 129, 130, 131 Flera värdytoreceptorer har identifierats, inklusive herpesvirusinträdesförmedlare, nektin-1, 3-0-sulfaterat heparansulfat och parat immunoglobulinliknande typ 2-receptor a (PILR- a ). 132, 133, 134, 135 En studie av Shukla et al 136 identifierade emellertid nektin-1 som den avgörande medlaren i en murin modell av hornhinnesinfektion. Observera när man överväger mekanismen för HSV1-infektion är det faktum att fylogenetisk analys antyder utvecklingen av minst sex distinkta HSV1-genogrupper, med flera rekombinationshändelser detekterade i genomet som kodar för glykoproteiner. 137, 138 Den höga mutationsgraden för sådana virala proteiner ger en ytterligare utmaning när man syftar till att identifiera riktade och / eller personliga terapeutiska alternativ.

HSV1 aktiverar flera immunvägar vid bindning med en cell. TLR2 - / - möss har visat sig ha ett minskat inflammatoriskt svar på infektion, 139, 140 medan CpG-sekvenser av HSV1-DNA är erkända stimulatorer av TLR9. 141, 142 TLR3 känner igen dubbelsträngat RNA och har identifierats som en viktig mediator för HSV1-infektion. 143, 144 Mänskliga hornhinnepitelceller har visat sig svara på HSV1 via TLR3 och också att uttrycka TLR7 som ett resultat av infektion. 145 TLR4 aktiveras dessutom i möss av endogent värmechockprotein 70 (Hsp70) och p- defensin-3 uttryckt av hornhinneceller som svar på viruset. 140 Intressant nog hade MyD88 - / - möss minskat inflammation i hornhinnan, men kunde inte kontrollera virusspridning, med 70% döende av antagd HSV-encefalit.

TLR9 är känt för att aktivera NF-kB, p38 och JNK-vägarna. 40 Dessutom aktiveras transkriptionsfaktorerna cAMP-svarelement (CRE) och CCAAT / förstärkare-bindande protein (C / EBP) i muskornealendotel, vilket leder till frisättning av många pro-inflammatoriska cytokiner inklusive IL-6, RANTES / CCL5 och CXCL10. 146 Ligandbindning till TLR3 aktiverar TRIF, som i sin tur aktiverar NF-kB och interferon regulatorisk faktor 3 (IRF3), en interferon regulatorisk faktor. Förutom cytokiner såsom IL-6, IL-8 och TNF- a producerade genom NF-kB-transkription resulterar aktivering av IRF3 i produktion av antivirala cytokiner såsom typ 1-interferoner (IFN) - a och - ß. 145, 147, 148, 149, 150, 151 TLR7-signaler både via MyD88 och NF-kB men också via IRF7, vilket gör att typ 1 IFN produceras; Dessutom kan IRF7 interagera med MyD88-vägen via TRAF6 och IRAK4. 152, 153

Aktivering av dessa vägar rekryterar DC: er, makrofager, neutrofiler och NK-celler för att underlätta clearance av viruset (se Rowe et al 154 för en översyn av HSV-keratit, inklusive medfödda immunceller och deras ligander). Latency av viruset uppstår på grund av en omkoppling i viralt genom som undertrycker lytiska gener och upprätthåller en jämvikt mellan latensassocierade transkript (LAT) och mikro-RNA som tystar det aktiva genomet. 155 Immunkontroll av viruset under latensfasen tros existera, medierat av HSV1-specifika CD8 + T-celler som kan frisätta IFN- y. 156 Även om orsakerna och mekanismerna för återaktivering ligger utanför omfattningen av denna granskning är det känt att det finns flera skillnader mellan primär infektion och återkommande sjukdom. Trots det faktum att IL-6 är ett viktigt pro-inflammatoriskt cytokin vid primär sjukdom har det visat sig vara av liten betydelse vid återaktivering, i motsats till CXCL1 som fungerar som en kemokin för att locka neutrofiler till infektionsstället. 157 CD4 + och CD8 + T-celler är viktiga mediatorer vid återkommande sjukdom, 158 medan andra faktorer såsom kemokinerna CCL2 och CCL3 verkar ha sina roller omvända vid återaktivering, med CCL2 som ökar sjukdomens svårighetsgrad och CCL3 verkar ge ett visst skydd. 159 Det finns dock fortfarande att klarlägga fullständiga detaljer om skillnaderna mellan primär och återkommande infektion.

Acanthamoeba

Acanthamoeba är en allestädes närvarande protozo-patogen som kan orsaka svår och ihållande hornhinnesinfektion. Det finns i aktiv trofozoitform men kan också förknippas, vilket skapar potentialen för återaktivering av sjukdomen efter avslutad behandling. 160 Flera studier har kommit fram till att infektion med Acanthamoeba inte skyddar mot återinfektion, vilket antyder att immunologiskt försvar främst medieras av det medfödda immunsystemet. 161, 162, 163, 164

Patienter som presenteras med Acanthamoeba- infektion har visat sig ha låga nivåer av anti- Acanthamoeba sIgA i sina tårfilmer, vilket höjer antydan att IgA är en viktig skyddande faktor mot infektion vid hornhinnans yta. Olika skyddsmekanismer för IgA har identifierats, inklusive hämning av Acanthamoeba- bindning till epitelceller, 161, 166 komplementaktivering och opsonisering 167, 168 och förstärkning av neutrofil dödande. 169

På senare tid har engagemang av TLR: er i patogenes av Acanthamoeba keratit karakteriserats. Under gynnsamma förhållanden kan Acanthamoeba fästa sig till cellytan via mannosbindande protein, som interagerar med mannosinnehållande glykoproteiner på hornhinnans yta. 170, 171 The trophozoite then releases a mannose-induced serine protease (MIP-133) which causes cytolysis of corneal epithelial cells and enables the Acanthamoeba to infiltrate the deeper layers of corneal tissue. 172, 173 Acanthamoeba is recognised by TLR4, which initiates the MyD88/NF-kB pathway and also the MAPK/ERK pathway, leading to release of pro-inflammatory and chemotactic mediators such as IL-8, CXCL2, TNF- α , and IFN- β. 174, 175

Macrophage activation in the presence of anti- Acanthamoeba antibody and IFN- γ has been shown to demonstrate trophozoite killing activity. 167, 176 Macrophages are thought to be a crucial mediator in early infection: depletion of macrophages in a Chinese hamster model of Acanthamoeba keratitis produced a notable worsening of disease. 177 Neutrophils are also capable of killing trophozoites, 169, 178 and both neutrophils and macrophages are able to kill cysts; however, no chemotactic stimulus is recognised when cysts are dormant in the cornea. 179 Steroid use in treatment of Acanthamoeba has been shown to increase the virulence of the disease, with proliferation of trophozoites and stimulation of excystment. 180

An additional factor in the pathology of Acanthamoeba keratitis is its frequent co-existence in symbiotic relationships with potentially pathogenic species of bacteria. A study by Iovieno et al 181 identified strains of Legionella, Pseudomonas, Chlamydia and Mycobacterium present in confirmed cases of Acanthamoeba keratitis. Where an endosymbiotic relationship was found, an increase in corneal toxicity was also noted. Moreover, the authors suggest that bacterial co-infection could delay or confound the diagnosis of Acanthamoeba , further damaging the cornea before correct treatment is initiated.

The relevance of animal models of keratitis

Much of the work that has been carried out in understanding the pathogenesis of infectious keratitis has used animal models. These provide a valuable insight into immune function in the mammalian cornea, but require complementary approaches when regarded from a clinical perspective. Animal models are limited by the fact that they are anatomically and physiologically distinct from human tissues. Examples include the fact that the blink rate in both mice and rabbits is lower than that in humans; 182, 183 humans also have a much higher concentration of lysozyme in their tears. 184 Rabbits possess a nictitating membrane, and the structure of a human cornea is different in several ways to that of mice and rabbits: Bowman's layer and Descemet's membrane are thicker, 185 the orientation of the collagen is different 186 and the depth of each of the layers varies depending on species. 187

On a molecular level, examples of species differences include the fact that mice are known to use several NAIP accessory proteins to activate the NLRP4 inflammasome, whereas in humans only one type of NAIP has been found. 59, 188 Caspase-11 is known to be present in mice, but its analogue in humans is caspase-4. 189 Differences in cytokines also exist, such as MIP-2 in mice which is equivalent to human IL-8. 190 In addition, the surface mucins of humans are structurally different to those of other mammals. 191 Moreover, the methods used to cause keratitis in animal models do not always mimic the natural infective process. Intrastromal injection is frequently used that bypasses the cell surface stage of infection; 192, 193, 194, 195 other methods include removal of the corneal epithelium, 196 corneal scratch 197 or applying contact lenses coated in bacteria to wounded corneas. 198

Generally, the differences between animal and human anatomy and immunology suggest that a cautious approach is necessary when interpreting findings from animal studies in a clinical perspective. The development of primary human cell/explant models would bring us closer to revealing the true nature of pathogen–host cell interactions in microbial keratitis.

Potential targeted molecular therapies

Studying immune pathways and mechanisms of infectious keratitis could identify new therapeutic targets to ameliorate disease and reduce tissue damage. At present, clinical use of topical steroids is frequently relied upon, but this is a non-specific attempt to reduce inflammation and can be associated with complications such as corneal thinning and perforation, increased intra-ocular pressure and poorer outcomes in infections such as Nocardia , HSV1, and Acanthamoeba keratitis. 180, 199, 200 The Steroids for Corneal Ulcers Trial (SCUT) has shown in large multicentre trials that steroids have no significant benefit or harm if used adjunctively alongside treatment of bacterial keratitis in the short term, but appear to improve visual outcomes at 12 months post treatment. Those with the most significant improvement in visual outcomes were those whose baseline vision was poorest, with most of the improvement occurring within the first 3 months for all patients. 199, 201, 202

In the search for more specific, tailored therapies, molecular targets are being investigated as a means of reducing tissue damage and restoring sight. Various avenues are being explored according to specific pathogen characteristics and cellular pathways. Work is continuous, but it appears that promising opportunities are being identified. Alekseev et al 203 have recently identified a kinase, ataxia telangiectasia mutated (ATM) kinase, whose inhibition reduces the severity of keratitis in a mouse model of HSV1 keratitis and additionally slows viral replication in rabbit and human cultured corneas. A high-affinity human monoclonal antibody to S. aureus α -toxin has been found to be effective at reducing corneal damage 204 and a new antibiotic, targocil, has had some preliminary success at inhibiting the severity of staphylococcal infections. 205 Several potential therapies have been identified in Pseudomonas infection, including lithium chloride 206 and a caspase-1 inhibitor that reduces the amount of IL-1 β produced. 207 Factors that improve corneal inflammation include the apoptotic Fas pathway which regulates the production of pro-inflammatory cytokines 208 and a phospho-inositol-3-kinase (PI3K)/Akt pathway that activates a receptor known as triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM-2). 209 All of these reduce inflammation and tissue damage and may be avenues to explore further.

A novel approach has been investigated in fungal keratitis, with some success: using small interfering RNA targeted against TLR2, Guo et al 210 were able to improve the outcome of A. fumigatus disease in a rat model, with a decreased fungal burden and reduced production of pro-inflammatory cytokines leading to clearer corneas and fewer instances of perforation. A pathway has also been identified in sterile corneal inflammation to inhibit neutrophil infiltration and macrophage activation: heat shock protein HSPB4 appears to act as a damage-associated molecular pattern, activating TLR2 and the NF-kB pathway. 211 The authors showed that inhibition of this pathway via HSPB4 antibodies or TNF- α stimulated gene/protein 6 (TSG6) suppressed macrophage activation and resultant neutrophil infiltration, leading to an improvement in corneal clarity. Meanwhile the endosymbiotic nature of O. volvulus with Wolbachia bacteria has led to trials of doxycycline being used to deplete the bacteria and facilitate treatment of the worms. 212, 213, 214

Corneal infiltrates in non-keratitic diseases show some promise and offer another avenue of exploration: a case report of cryopyrin associated periodic fever syndrome, in which a mutation in the NLRP3 gene causes overexpression of IL-1 β , demonstrated successful treatment outcomes with IL-1 β monoclonal antibody kanakinumab, 215 and anakira, an IL-1 antagonist, has been used successfully in corneal infiltrates. 216

Currently, there is strong interest in the use of collagen cross-linking (CXL) using ultraviolet-A (UV-A) light and riboflavin is a treatment of infectious keratitis. In this procedure riboflavin is applied to the affected corneal surface and the agent acts as a photosensitizer, which generates reactive oxygen species which are activated by UV-A light. The resulting photochemical reactions are thought to result in covalent bonds to cross-link collagen fibres in the corneal stroma and thus increase the strength of the cornea. Alio et al 217 performed a meta-analysis of 12 studies that used this approach against a variety of types of microbial keratitis. They analysed a total 104 eyes that were treated using a range of treatment protocols with varying levels of clinical presentation. In the majority of cases cross-linked patients were reported to have halting of the corneal melting process. Few patients developed complications from CXL therapy. The treatment appeared to show promise in in bacterial and Acanthamoeba infections but less so in fungal infections. There were concerns that CXL could halt drug penetration for patients with fungal keratitis. Additionally, in rabbit studies of Acanthamoeba keratitis CXL showed no beneficial effect. A major difficulty with the data from the studies so far is the wide variation in the type of infectious keratitis cases, with patients at different stages of clinical presentation treated with varying therapeutic regimens. Until more controlled studies are undertaken and reported, it is difficult to recommend CXL routinely. However, CXL in microbial keratitis does offer a reasonable rationale to halt corneal melting in selected cases. It is likely that a combined approach using PAMP inhibitor-based anti-inflammatory agents with newer antimicrobials/CXL/anti-matrix metalloproteineases will show the strongest effect in treating corneal tissue damage.

In the context of infectious keratitis the goal of individualised, targeted therapy appears to be moving closer. However, in addition to the range of molecular pathways activated, the characteristics of a bacterial keratitis may depend upon such features as bacterial virulence and toxigenicity whereas a viral keratitis may depend upon the viral genotype and rate of mutation. Factors such as these may continue to present challenges that must be taken into account when designing future therapies.

Slutsats

The importance of PAMPs has significantly increased over the past decade. We have reached an exciting point in the study of infectious keratitis, with so many molecular pathways being identified. This provides several opportunities to develop therapies targeted to modifying disease outcomes. However, more work on the various potential therapeutic targets that exist within the molecular pathways we are beginning to define must be done. Ultimately, these therapies will need to balance adequate treatment of disease with minimising tissue damage in such a thin tissue as the highly specialised cornea. This presents an ongoing challenge for both scientists and clinicians. 218 Nonetheless, we may now be closer than previously imagined to effective, targeted therapies to treat corneal tissue damage and subsequent blindness as a result of the global disease that is infectious keratitis.