Molecular interfaces between childhood respiratory virus infection and development of asthma

Virale luftveisinfeksjoner (RTI) som oppstår i de første årene av livet, har blitt foreslått som uavhengige risikofaktorer for utviklingen av astma. Likevel er det ikke klart om virusinfeksjoner direkte påvirker luftveiene på en måte som resulterer i astma, eller om virusinfeksjoner avdekker astma hos de som er predisponert for å utvikle sykdommen. Dette prosjektet tar sikte på å kombinere grunnforskning og kliniske studier med fokus på å identifisere immunologiske mekanismer knyttet til utviklingen av astma. Den første delen av prosjektet har fokusert på cytokinet Thymic stromal lymphopoietin (TSLP). TSLP er assosiert med flere allergiske sykdommer, inkludert astma. To isoformer av TSLP finnes i mennesker, en lang form (lfTSLP) og en kort form (sfTSLP), med forskjellige immunologiske funksjoner. Nylig ble TSLP funnet å være oppregulert i humane luftveisceller infisert med humant metapneumovirus (hMPV), men det er fortsatt uklart om de to isoformene reguleres forskjellig under infeksjon. I tillegg er de molekylære mekanismene som ligger bak hMPV-mediert TSLP-induksjon ikke kartlagt. Vi har karakterisert uttrykk og regulering av TSLP i hMPV-infiserte humane luftveisceller. Vi fant at hMPV trigger sterkt uttrykk av den pro-inflammatoriske formen av TSLP (lfTSLP). Ekspresjonen av lfTSLP var spesielt uttalt i hMPV-infiserte lungefibroblaster, hvilket indikerer at fibroblaster kan være en viktig kilde til lfTSLP under patofysiologiske forhold. Nedslag av mønstergenkjenningsreseptorer (PRR) retinoic acid inducible gene I (RIG-I) eller Toll-lignende reseptor 3 (TLR3), så vel som nedstrøms signalgivere, hemmet hMPV-mediert lfTSLP-induksjon. Også nedslag av TANK-binding kinase 1 (TBK1) svekket hMPV-mediert lfTSLP-induksjon, noe som kunne tilskrives kompromittert NF-kB-aktivering. Samlet sett antyder disse resultatene at TBK1 kan være medvirkende til hMPV-mediert aktivering av NF-kB nedstrøms RIG-I og TLR3, hvilket fører til en spesifikk induksjon av lfTSLP i hMPV-infiserte humane luftveisceller. Under dette arbeidet førte uventede funn oss til å fokusere på det antimikrobielle peptidet Cathelicidin. Vi fant at hMPV infeksjon hemmer uttrykket av cathelicidin i humane makrofager. Dette er et veldig interessant funn som potensielt kan ha viktige implikasjoner for ko-infeksjoner med bakterier og virus. Vi har også studert de intracellulære prosessene bak denne hemmingen. Spesielt fant vi ut at hMPV-infeksjon hemmer uttrykket for transkripsjonsfaktoren C/EBP?, som regulerte cathelicidin uttrykket. Vi demonstrerte tydelig at dette er uavhengig av type I interferon signalering (et cellulært kjennemerke i anti-viral respons). Denn moduleringen kunne reproduseres av Toll-lignende reseptorligander, noe som tyder på en felles mekanisme som ligger til grund for patogen-mediert nedregulering av cathelicidin. Denne studien gir en ny forståelse av endret antimikrobiell respons etter infeksjoner. Den andre delen av prosjektet fokuserer på IL-1R8. IL-1R8 er en negativ regulator av IL-reseptor (ILR) - og PRR-signalering. Interessant nok har det vist seg at IL-1R8 regulerer IL-33-reseptoren ST2, som styrer produksjonen av Th2-cytokiner. Nylig viste samarbeidspartnere ved Humanitas University en ny funksjon av IL1-R8 som et kontrollpunktsmolekyl for NK-celleaktivitet. Imidlertid er rollen til IL-1R8 i virusutløst luftveis sykdom ikke studert. Som en del av et forskningsopphold ved Humanities University, Milano (august 2017-august2018), undersøkte vi rollen til IL-1R8 i hMPV-infiserte luftveier hos mus. Vi fant at IL1-R8-mangel er assosiert med mer effektiv kontroll av hMPV-infeksjon. I tillegg, hos mus som mangler IL-1R8 blir produksjonen av antivirale cytokiner betydelig redusert. Vi viste videre at kontrollen av hMPV i IL1-R8-defekte mus er avhengig av NK-celler, som viser økt modningsstatus i fravær av IL-1R8, og av IFNgamma. Et manuskript er klart for publisering. Den tredje delen av prosjektet fokuserer på sammenhengen mellom spedbarnsbronkiolitt og utvikling av luftveissykdom, med spesielt fokus på å knytte molekylære funn opp mot kliniske data. Våren 2017 startet vi en tverrfaglig oppfølgingsstudie, VIRAS, for å vurdere lungefunksjon i alderen 6-12 år hos barn utsatt for spedbarnsbronkolit, forårsaket av den "nye" hMPV og sammenlignet med de mer kjente luftveisvirusene RS-virus (RSV) og rhinovirus (RV). Videre har vi samlet biologiske prøver for å identifisere genetiske varianter (samarbeid med Yale) og inflammatoriske mekanismer (inkludert ekspresjon av lfTSLP og IL1-R8) hos astmatiske barn som har vært innlagt med bronkiolitt i løpet av sine to første leveår. Innsamlingen ble avsluttet i juni 2019. En doktorgrads kandidat finansiert av St. Olavs Hospital og NTNU er ansvarlig for den kliniske studien. Vi har dessuten fått en doktorgradsstilling finansiert av NTNU som for tiden utfører den genetiske analysen på Yale Public School of Health.

This project has provided increased understanding of the mechanisms involved in the initiation and regulation of TSLP production. Morover, this project has revealed that unleashing the NK cell checkpoint, IL1R8, provides more efficient control of hMPV infection. Such mechanistic insight can in the long term lead to new antivirals and novel strategies for prevention and treatment of asthma. Preliminary clinical data from the VIRAS study already indicates that 6-8-year-old children with a history of infant bronchiolitis often have undiagnosed asthma at school-age. Hence, the project also has important short-term impact on the emphasis on appropriate care of high-risk children. to reduce their risk of developing uncontrolled asthma. The project has led to ongoing international collaboration with researchers at Humanitas University and at Yale University. Importantly, the project has been instrumental in the establishment of a multidisciplinary research group at NTNU and St Olavs Hospital.

Viral respiratory tract infections (RTIs) occurring in the first few years of life have been suggested as independent risk factors for the subsequent development of asthma. hMPV is a newly characterized virus to which the immune response is largely enigma tic. Still, hMPV is recognized as a clinically important respiratory pathogen. As a part of a joint research initiative, including national and international collaborators, we apply for funding to assess the association between early hMPV infections and s ubsequent development of asthma. We will apply basic research, in vitro and in vivo models, advanced cellular imaging and unique biobanks to study mechanisms and characteristics of the host response to hMPV that trigger inflammation and respiratory diseas e. We will focus on the role of the allergic inflammatory cytokine TSLP in virus-triggered pathogenesis, and elucidate the molecular basis for its regulation and production during hMPV infection. The project addresses unanswered questions that are highly relevant to society, and it has the possibility to bring forward innovative knowledge through the use of highly unique and well-organized biobanks. If successful, the project could have a major impact worldwide through increased understanding of host resp onses to hMPV infections, which is fundamental for developing interventional and therapeutic strategies.