Attenuation of neutrophil driven inflammation and fungal growth by pilocarpine hydrochloride

Het menselijk lichaam is een vesting die constant onder belegering staat door microscopische indringers, en de eerste verdedigingslinie is een gespecialiseerd leger van witte bloedcellen genaamd neutrofielen. Deze cellen stormen naar de plek van een infectie, zoals een schimmelinvasie op het oog, om de dreiging te verslinden en te vernietigen. Deze verdedigingsmechanisme is echter een tweesnijdend zwaard. Terwijl de neutrofielen werken om de schimmel te verwijderen, kan hun agressieve activiteit het omliggende gezonde weefsel beschadigen, wat leidt tot littekenvorming en permanent visusverlies bij aandoeningen zoals fungale keratitis. De uitdaging voor de moderne geneeskunde is geweest om een manier te vinden om de infectie te stoppen zonder de destructieve immuunoverreactie te triggeren. Huidige behandelingen richten zich uitsluitend op het doden van de schimmel, waardoor de eigen ontstekingsreactie van het lichaam onbeheerst en vaak schadelijk blijft voor de langetermijngezondheid van de patiënt.

Onderzoekers aan de Universiteit van Edinburgh hebben een potentiële oplossing onderzocht met behulp van een medicijn dat artsen al bekend voorkomt: pilocarpinehydrochloride. Dit medicijn wordt veel gebruikt bij de behandeling van niet-infectieuze oogaandoeningen zoals glaucoom door de pupil te verkleinen. Het team ontdekte dat dit medicijn over een unieke dubbele capaciteit beschikt: het kan de groei van schimmels vertragen terwijl het tegelijkertijd het immuunsysteem en zijn meest agressieve soldaten kalmeert. Door het medicijn in laboratoriumsettings te testen, ontdekten ze dat pilocarpine niet alleen de schimmel stopt met verspreiden, maar de neutrofielen ook het signaal geeft om te stoen, een natuurlijke vorm van celsterfte te ondergaan en te stoppen met het vrijgeven van de toxische stoffen die weefselschade veroorzaken. Dit suggereert dat het medicijn hergebruikt kan worden om fungale ooginfecties te behandelen door zowel de pathogeen aan te vallen als het gastheerweefsel tegelijkertijd te beschermen.

De studie begon met het onderzoeken van hoe pilocarpine verschillende soorten schimmels beïnvloedt die bekend staan om het veroorzaken van ooginfecties, waaronder Candida albicans, Aspergillus flavus en Fusarium keratoplasticum. In het laboratorium stelden de onderzoekers deze schimmels bloot aan variërende concentraties van het medicijn. Ze observeerden dat naarmate de hoeveelheid pilocarpine toenam, het vermogen van de schimmels om te groeien en energie te produceren significant daalde. Het medicijn was bijzonder effectief in het stoppen van de transformatie van de schimmels van vorm. Veel gevaarlijke schimmels, zoals Candida, kunnen van een eenvoudige gistvorm overgaan naar lange, draadvormige structuren genaamd hyfen, die hen in staat stellen om in weefsel te boren en beschermende biofilms te vormen. Pilocarpine voorkwam deze transformatie, waardoor de schimmels in een minder gevaarlijke staat bleven en de algehele biomassa werd verminderd. Dit effect was consistent bij alle drie de geteste schimmelsoorten, wat aangeeft dat het medicijn een fundamenteel proces in de schimmelmetabolisme aanvalt in plaats van slechts één specifieke soort.

Vervolgens richtte het team de aandacht op de menselijke immuunrespons. Ze isoleerden neutrofielen uit het bloed van gezonde vrijwilligers en stelden de cellen bloot aan het medicijn om te zien hoe de cellen reageerden. De resultaten waren opmerkelijk. Bij hogere concentraties bracht pilocarpine de neutrofielen in een staat van geprogrammeerde celsterfte, bekend als apoptose. Dit is een cruciaal onderscheid omdat apoptose een stille, ordelijke manier is waarop cellen sterven die geen verdere ontsteking triggert, in tegen tegenstelling tot de chaotische dood van cellen die simpelweg worden verpletterd of vergiftigd. Door de neutrofielen aan te moedigen vredig te sterven, vermindert het medicijn effectief het aantal actieve soldaten op de infectieplaats, waardoor de potentie voor nevenschade aan het oogweefsel wordt beperkt.

De onderzoekers keken vervolgens naar de invloed van het medicijn op het gedrag van de nog levende neutrofielen. Normaal gesproken, wanneer deze cellen een infectie detecteren, raken ze geactiveerd, veranderen ze van vorm om naar de dreiging te bewegen en laten ze krachtige wapens vrij zoals reactieve zuurstofverbindingen en enzymen om de indringer te doden. De studie toonde aan dat pilocarpine deze acties blokkeerde. De behandelde neutrofielen slaagden er niet in om effectief van vorm te veranderen en verloren hun vermogen om te migreren naar chemische signalen die hen normaal gesproken naar een infectie leiden. Bovendien verminderde het medicijn de productie van reactieve zuurstofverbindingen en de afgifte van enzymen die doorgaans worden gebruikt om pathogenen te vernietigen aanzienlijk. Zelfs de vorming van neutrofiele extracellulaire vallen — netten van DNA en eiwitten die cellen uitwerpen om schimmels te vangen en te doden — werd gedempt wanneer het medicijn aanwezig was, met name wanneer de immuunrespons werd gedreven door chemische signalen in plaats van direct contact met dode schimmelonderdelen.

Om te zien of deze effecten standhielden in een meer realistische omgeving, creëerden de wetenschappers een driedimensionaal model van een menselijke cornea die geïnfecteerd was met een schimmel. Ze bouwden een kleine kamer gevuld met een collageenmatrix die de structuur van het stroma van het oog nabootste, de middelste laag van de cornea. Ze introduceerden de schimmel aan de ene kant en de neutrofielen aan de andere kant, waardoor de immuuncellen naar de infectie konden migreren. In de onbehandelde modellen groeide de schimmel agressief in het weefsel en stormden een groot aantal neutrofielen naar binnen, wat een chaotische scène van infectie en ontsteking creëerde. In de modellen behandeld met pilocarpine werd de schimmelgroei zichtbaar beperkt en migreerden aanzienlijk minder neutrofielen in het weefsel. Het medicijn slaagde erin een scenario te creëren waarin de infectie werd ingedamd en het immuunsysteem niet overreageerde, waardoor de structurele integriteit van het cornea-model effectief werd beschermd.

De onderzoekers merkten echter ook een potentieel complicatie op. Hoewel het medicijn effectief was tegen de schimmel en de immuunrespons, veroorzaakte het ook enkele veranderingen in de corneale cellen zelf, wat leidde tot celsterfte in het weefselmodel bij hoge concentraties. Dit suggereert dat hoewel het medicijn veelbelovend is voor het verminderen van ontsteking en schimmelgroei, het gebruik ervan zorgvuldig gebalanceerd moet worden om schade aan de eigen cellen van het oog te voorkomen. De studie concludeert dat pilocarpinehydrochloride een nieuwe benadering biedt voor de behandeling van schimmelinfecties door op twee fronten te werken: het belemmert het vermogen van de schimmel om te groeien en te verspreiden, terwijl het tegelijkertijd de destructieve neigingen van het immuunsysteem kalmeert. Deze dubbele werking kan een nieuwe therapeutische strategie bieden voor aandoeningen zoals fungale keratitis, waarbij het doel is om de infectie te klaren zonder het zicht op te offeren aan de eigen verdedigingsmechanismen van het lichaam.