References

mimmun

Медицинская иммунология

Medical Immunology (Russia)

1563-06252313-741X

SPb RAACI

10.15789/1563-0625-HBD-2384

mimmun-2384

Research Article

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ORIGINAL ARTICLES

Оценка экспрессии гена β-дефенсина-3 человека в слизистой оболочке ЛОР-органов

Human β-defensin-3gene expression in mucosa of ORL organs

https://orcid.org/0000-0002-8421-0499

Тырнова

Е. В.

Tyrnova

E. V.

Тырнова Елена Валентиновна — кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лабораторно-диагностического отдела.

190013, Санкт-Петербург, ул. Бронницкая, 9.

Тел.: 8 (812) 710-17-55.

Elena V. Tyrnova - PhD, MD (Medicine), Senior Research Associate, Department of Laboratory Diagnostics, Research Institute of Ear, Nose, Throat and Speech.

190013, St. Petersburg, Bronnitskaya str., 9.

Phone: 7 (812) 710-17-55.

7101755@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-2886-7389

Алешина

Г. М.

Aleshina

G. M.

Алешина Галина Матвеевна — доктор биологических наук, доцент, заведующая лабораторией, отдел общей патологии и патологической физиологии.

Санкт-Петербург.

Galina M. Aleshina - PhD, MD (Biology), Associate Professor, Head of the Laboratory, Department of General Pathology and Pathological Physiology, Institute of Experimental Medicine.

St. Petersburg.

aleshina.gm@iemspb.ru

Янов

Ю. К.

Yanov

Yu. K.

Янов Юрий Константинович — доктор медицинских наук, профессор, академик РАН, главный научный сотрудник.

Санкт-Петербург.

Yuriy K. Yanov - PhD, MD (Medicine), Professor, Full Member, Russian Academy of Sciences, Main Research Associate, Research Institute of Ear, Nose, Throat and Speech.

St. Petersburg.

3162256@mail.ru

Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи Министерства здравоохранения РФРоссияSt. Petersburg Research Institute of Ear, Nose, Throat and SpeechRussian Federation

Институт экспериментальной медициныРоссияInstitute of Experimental MedicineRussian Federation

2022

13072022

244779792

2022

Тырнова Е.В., Алешина Г.М., Янов Ю.К.

Tyrnova E.V., Aleshina G.M., Yanov Y.K.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.mimmun.ru/mimmun/article/view/2384

Целью исследования явилась оценка экспрессии гена β-дефенсина-З человека (hBD-3) в поверхностном эпителии слизистой оболочки ЛОР-органов. Исследовали 210 образцов операционного материала, полученных при наиболее частой хирургической патологии 5 анатомо-функциональных областей: нос и околоносовые пазухи, среднее ухо, носоглотка, ротоглотка, гортань. Контролями служили: 1) нижние носовые раковины, 2) нормальная слизистая среднего носового хода. Оценку экспрессии генов hBD-3 и β-актина проводили методом обратной транскрипции и ПЦР в режиме реального времени. В слизистой оболочке носа и околоносовых пазух очень низкая экспрессия выявлена в 14,29-33,33% случаев, наиболее часто в ткани полипов среднего носового хода и решетчатого лабиринта (53,84%), отсутствовала в гипертрофических нижних носовых раковинах. В полости среднего уха частота детекции экспрессии гена hBD-3 варьировала от 7,69% в слизистой суперструктур стремени до 53,85% образцов слизистой при наличии холестеатомы. Экспрессия гена hBD-3 детектирована в большинстве образцов тканей с высоким микробным обсеменением: небные миндалины 100%, гипертрофия аденоидов 84,62%, аденоиды при гипертрофии аденоидов и небных миндалин 87,5%, фиброзно-сосудистые полипы гортани 87,5%, другая патология гортани 77,78% образцов. Самые высокие уровни экспрессии гена hBD-3 выявлены в гортани при фиброзно-сосудистых полипах. Полученные данные свидетельствуют о двух функционально различных типах иммунного ответа слизистой ЛОР-органов. В анатомо-функциональных областях, выстланных мерцательным эпителием (средний и нижний носовые ходы, верхнечелюстные, решетчатые пазухи, среднее ухо) детектированы достоверно низкие частота (точный тест Фишера, p < 0,05 до p < 0,001) и уровни (тест Манна-Уитни, p < 0,05 до p < 0,001) экспрессии гена hBD-3, за исключением ткани полипов среднего носового хода и решетчатого лабиринта и слизистой барабанной полости при холестеатоме, что, возможно, связано с характером патологического процесса. В зонах, выстланных плоским эпителием или сочетанием плоского и реснитчатого эпителиев, экспрессия гена hBD-3 детектирована практически повсеместно и на достоверно более высоких уровнях. В контексте хронического воспаления и связанных с инфекцией заболеваний ЛОР-органов, помимо прямой микробоцидной активности hBD-3 на первой линии защиты, возможно нарушение регуляции пептида и даже неблагоприятные патогенетические эффекты hBD-3: повышенная чувствительность к инфекциям, патологические изменения состава комменсалов, фиброзное ремоделирование.

The aim of present study was to investigate the hBD-3 gene expression in the surface epithelium of mucosa in ORL organs. We have studied a total of 210 mucosal samples, obtained at the most frequent surgical intervantions from 5 different anatomical functional areas: nose and paranasal sinuses, middle ear, nasopharynx, oropharynx, larynx. The inferior turbinate mucosa (1) and the normal middle nasal passage mucosa (2) served as controls. Estimation of hBD-3 and β-actin gene expression was performed by reverse transcription and realtime PCR. In the nasal and sino-nasal mucosa, only negligible expression levels were detected in 14.29-33.33% of samples, most often in the specimens from the middle nasal passage and ethmoid labyrinth polyps (53.84%), being absent in hypertrophic inferior turbinate. In the middle ear cavity, the frequency detection of the hBD-3 gene expression varied from 7.69% in the stapes superstructures mucosa to 53.85% of the mucosal samples in the presence of cholesteatoma. hBD-3 gene expression was detected in most tissue samples with high microbial contamination: palatine tonsils (100%); adenoid hypertrophy (84.62%); adenoids in hypertrophic states of adenoids and palatine tonsils (87.5%); laryngeal fibrous-vascular polyps (87.5%); other laryngeal pathology (77.78% of the samples). The highest levels of hBD-3 gene expression were found in laryngeal fibrous-vascular polyps. The findings presumed two functionally different types of immune response in mucosa of the ORL organs. In the anatomical-functional areas lined with ciliated epithelium (middle and inferior nasal passages, maxillary and ethmoid sinuses, middle ear), significantly lower frequencies (Fisher's exact test, p < 0.05 to p < 0.001) and levels (Mann-Whitney test, p < 0.05 to p < 0.001) of hBD-3 gene expression were detected, except of polyps of the middle nasal passage and ethmoid labyrinth, and mucosa of the tympanic cavity in cholesteatoma, which may be related to the nature of the pathological process. In the areas lined with squamous epithelium or a combination of squamous and ciliated epithelium, hBD-3 gene expression was detected almost everywhere and at significantly higher levels. In the context of chronic inflammation and infection-related diseases of the ORL organs, in addition to the direct microbicidal activity of hBD-3 as the first line of immune response, one may suggest peptide dysregulation and, even, pathogenetic effects of hBD-3, e.g., increased sensitivity to infections, pathological changes in the composition of the commensal bacteria, fibrous remodeling.

β-дефенсин-3 человекаэкспрессия генааденоидынебные миндалиныслизистая носаслизистая околоносовых пазухполипы носаполипы околоносовых пазуххронический средний отитотосклерозгортань

human β-defensin-3gene expressionadenoidspalatine tonsilsnasal mucosasinonasal mucosanasal polypssinonasal polypschronic otitis mediaotosclerosislarynx

References1

Бабаев С.Ю., Новожилов А.А., Абубакиров Т.Э., Митрофанова Н.Н., Козаренко Е.А., Шахов А.В. Микробиота барабанной полости у пациентов с хроническим гнойным средним отитом // Российская оториноларингология, 2019. T. 18, № 3. С. 22-26.

Babaev S.Yu., Novozhilov A.A., Abubakirov T.E., Mitrofanova N.N., Kozarenko E.A., Shakhov A.V. Microbiota of the tympanic cavity in the patients with chronic suppurative otitis media. Rossiiskaya otorinolaringologiya = Russian Otorhinolaryngology, 2019, Vol. 18, no. 3, pp. 22-26. (In Russ.)

Кокряков В.Н., Алешина Г.М., Шамова О.В., Орлов Д.С., Андреева Ю.В. Современная концепция об антимикробных пептидах как молекулярных факторах иммунитета // Медицинский академический журнал, 2010. Т. 10, № 4. С. 149-160.

Kokryakov V.N., Aleshina G.M., Shamova O.V., Orlov D.S., Andreeva Yu.V. Modern concept of antimicrobial peptides as molecular factors of the immunity. Meditsinskiy akademicheskiy zhurnal = Medical Academic Journal, 2010, Vol. 10, no. 4, pp. 149-160. (In Russ.)

Тырнова Е.В., Алешина Г.М., Янов Ю.К., Кокряков В.Н. Изучение экспрессии гена бета-дефенсина-3 человека в слизистой оболочке верхних дыхательных путей // Российская оториноларингология, 2015. № 2 (75). С. 77-84.

Tyrnova E.V., Aleshina G.M., Yanov Yu.K., Kokryakov V.N. Investigation of human beta-defensin-3 gene expression in the upper airway mucosa. Rossiiskaya otorinolaringologiya = Russian Otorhinolaryngology, 2015, no. 2 (75), pp. 77-84. (In Russ.)

Albanesi C., Fairchild H.R., Madonna S., Scarponi C., de Pita O., Leung D.Y.M., Howell M.D. IL-4 and IL-13 negatively regulate TNF-alpha- and IFN-gamma-induced beta-defensin expression through STAT-6, suppressor of cytokine signaling (SOCS)-1, and SOCS-3. J. Immunol., 2007, Vol. 179, pp. 984-992.

Ball S.L., Siou G.P., Wilson J.A., Howard A., Hirst B.H., Hall J. Expression and immunolocalisation of antimicrobial peptides within human palatine tonsils. J. Laryngol. Otol., 2007, Vol. 121, no. 10, pp. 973-978.

Chen X., Niyonsaba F., Ushio H., Hara M., Yokoi H., Matsumoto K., Saito H., Nagaoka I., Ikeda S., Okumura K., Ogawa H. Antimicrobial peptides human beta-defensin (hBD)-3 and hBD-4 activate mast cells and increase skin vascular permeability. Eur. J. Immunol., 2007, Vol. 37, pp. 434-444.

Chong K.T., Xiang L., Wang X., Jun E.L., Xi L.F., Schweinfurth J.M. High level expression of human epithelial beta-defensins (hBD-1, 2 and 3) in papillomavirus induced lesions. Virol. J., 2006, Vol. 3, 75. doi: 10.1186/1743-422X-3-75.

Claeys S., de Belder T., Holtappels G., Gevaert P., Verhasselt B., van Cauwenberge P., Bachert C. Human b-defensins and toll-like receptors in the upper airway. Allergy, 2003, Vol. 58, pp. 748-753. doi: 10.1034/j.1398-9995.2003.00180.x

Coleman A., Wood A., Bialasiewicz S., Ware R.S., Marsh R.L., Cervin A. The unsolved problem of otitis media in indigenous populations: a systematic review of upper respiratory and middle ear microbiology in indigenous children with otitis media. Microbiome, 2018, Vol. 6, no. 1, 199. doi: 10.1099/jmm.0.001368.

Doss M., White M.R., Tecle T., Hartshorn K.L. Human defensins and LL-37 in mucosal immunity. J. Leuk. Biol., 2010, Vol. 87, pp. 79-92.

Feng Z., Dubyak G.R., Jia X., Lubkowski J.T., Weinberg A. Human b-defensin-3 structure motifs that are important in CXCR4 antagonism. FEBS J., 2013, Vol. 280, no. 14, pp. 3365-3375.

Funderburg N.T., Jadlowsky J.K., Lederman M.M., Feng Z., Weinberg A., Sieg S.F. The toll-like receptor 1/2 agonists Pam(3) CSK(4) and human b-defensin-3 differentially induce interleukin-10 and nuclear factor-кВ signalling patterns in human monocytes. Immunology, 2011, Vol. 134, no. 2, pp. 151-160.

Ghosh S.K., Feng Z., Fujioka H., Lux R., McCormick T.S., Weinberg A. Conceptual perspectives: bacterial antimicrobial peptide induction as a novel strategy for symbiosis with the human host. Front. Microbiol., 2018, Vol. 9, 302. doi:10.3389/fmicb.2018.00302.

Gong H-L., Shi Y., Zhou L., Wu C-P., Cao P-Y., Tao L., Xu C., Hou D-S., Wang Y-Z. The composition of microbiome in larynx and the throat biodiversity between laryngeal squamous cell carcinoma patients and control population. PLoS One, 2013, Vol. 8, no. 6, e66476. doi: 10.1371/journal.pone.0066476.

Haarmann H., Steiner T., Schreiber F., Heinrich A., Zweigner J., N'Guessan P.D., Slevogt H. The role and regulation of Moraxella catarrhalis-induced human beta-defensin 3 expression in human pulmonary epithelial cells. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2015, Vol. 467, no. 1, pp. 46-52.

Harder J., Bartels J., Christophers E., Schroder J.M. Isolation and characterization of human beta-defensin-3, a novel human inducible peptide antibiotic. J. Biol. Chem., 2001, Vol. 276, no. 8, pp. 5707-5713.

Hazrati E., Galen B., Lu W., Wang W., Ouyang Y., Keller M.J., Lehrer R.I., Herold B.C. Human alpha-and beta-defensins block multiple steps in herpes simplex virus infection. J. Immunol., 2006, Vol. 177, no. 12, pp. 8658-8666.

Hong P., Liu C.M., Nordstrom L., Lalwani A.K. The role of the human microbiome in otolaryngology-head and neck surgery: a contemporary review. Laryngoscope, 2014, Vol. 124, no. 6, pp. 1352-1357.

Jette M.E., Dill-McFarland K.A., Hanshew A.S., Suen G., Thibeault S.L. The human laryngeal microbiome: effects of cigarette smoke and reflux. Sci. Rep., 2016, Vol. 6, 35882. doi: 10.1038/srep35882.

Jones E.A., McGillivary G., Bakaletz L.O. Extracellular DNA within a nontypeable Haemophilus influenzae-induced biofilm binds human beta defensin-3 and reduces its antimicrobial activity. J. Innate Immun., 2013, Vol. 5, no. 1, pp. 24-38.

Kamekura R., Imai R., Takano K., Yamashita K., Jitsukawa S., Nagaya T., Ito F., Hirao M., Tsubota H., Himi T. Expression and localization of human defensins in palatine tonsils. Adv. Otorhinolaryngol., 2016, Vol. 77, pp. 112-118.

Kumpitsch C., Koskinen K., Schopf V., Moissl-Eichinger C. The microbiome of the upper respiratory tract in health and disease. BMC Biol., 2019, Vol. 17, no. 1, 87. doi: 10.1186/s12915-019-0703-z.

Lee J.T., Kim C.M., Ramakrishnan V. Microbiome and disease in the upper airway. Curr. Opin. Allergy Clin. Immunol., 2019, Vol. 19, no. 1, pp. 1-6.

McGillivary G., Mason K.M., Jurcisek J.A., Peeples M.E., Bakaletz L.O. Respiratory syncytial virus-induced dysregulation of expression of a mucosal beta-defensin augments colonization of the upper airway by non-typeable Haemophilus influenzae. Cell Microbiol., 2009, Vol. 11, no. 9, pp. 1399-1408.

Mehraj J., Witte W., Akmatov M.K., Layer F., Werner G., Krause G. Epidemiology of Staphylococcus aureus nasal carriage patterns in the community. Curr. Top. Microbiol. Immunol., 2016, Vol. 398, pp. 55-87.

Mittal R., Kodiyan J., Gerring R., Mathee K., Li J.D., Grati M., Liu X.Z. Role of innate immunity in the pathogenesis of otitis media. Int. J. Infect. Dis., 2014, Vol. 29, pp. 259-267.

Nurjadi D., Herrmann E., Hinderberger I., Zanger P. Impaired beta-defensin expression in human skin links DEFB1 promoter polymorphisms with persistent Staphylococcus aureus nasal carriage. J. Infect. Dis., 2013, Vol. 207, no. 4, pp. 666-674.

Ostaff M.J., Stange E.F., Wehkamp J. Chapter 5 Antimicrobial Peptides in the Gut. Antimicrobial peptides: role in human health and disease, Birkhauser advances in infectious diseases. Ed. Harder J., Schroder J.-M., Springer International Publishing Switzerland, 2016, pp. 67-88.

Rohrl J., Yang D., Oppenheim J.J., Hehlgans T. Human beta-defensin 2 and 3 and their mouse orthologs induce chemotaxis through interaction with CCR2. J. Immunol., 2010, Vol. 184, pp. 6688-6694.

Sass V., Schneider T., Wilmes M., Korner C., Tossi A., Novikova N., Shamova O., Sahl H.G. Human beta-defensin 3 inhibits cell wall biosynthesis in Staphylococci. Infect. Immun., 2010, Vol. 78, no. 6, pp. 2793-800.

Scharf S., Zahlten J., Szymanski K., Hippenstiel S., Suttorp N., N'Guessan P.D. Streptococcus pneumoniae induces human b-defensin-2 and -3 in human lung epithelium. Exp. Lung Res., 2012, Vol. 38, no. 2, pp. 100-110.

Schibli D.J., Hunter H.N., Aseyev V., Starner T.D., Wiencek J.M., McCray P.B. Jr., Tack B.F., Vogel H.J. The solution structures of the human beta-defensins lead to a better understanding of the potent bactericidal activity of HBD3 against Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem., 2002, Vol. 277, no. 10, pp. 8279-8289.

Schleimer R.P. Immunopathogenesis of chronic rhinosinusitis and nasal polyposis. Annu. Rev. Pathol., 2017, Vol. 12, pp. 331-357.

Schneider J.J., Unholzer A., Schaller M., Schafer-Korting M., Korting H.C. Human defensms. J. Mol. Med. (Berl)., 2005, Vol. 83, no. 8, pp. 587-595.

Seiler F., Bals R., Beisswenger C. Chapter 3 Function of antimicrobial peptides in lung innate immunity. Antimicrobial peptides: role in human health and disease, Birkhauser advances in infectious diseases. Ed. Harder J., Schroder J.-M., Springer International Publishing Switzerland, 2016, pp. 33-52.

Seiler F., Hellberg J., Lepper P.M., Kamyschnikow A., Herr C., Bischoff M., Langer F., Schafers H-J., Lammert F., Menger M.D., Bals R., Beisswenger C. FOXO transcription factors regulate innate immune mechanisms in respiratory epithelial cells. J. Immunol. 2013, Vol. 190, pp. 1603-1613.

Semple F., Dorin J.R. Beta-defensins: multifunctional modulators of infection, inflammation and more? J. Innate Immun., 2012, Vol. 4, no. 4, pp. 337-348.

S0rensen O.E. Chapter 1 Antimicrobial Peptides in Cutaneous Wound Healing. Antimicrobial peptides: role in human health and disease, Birkhauser advances in infectious diseases. Ed. Harder J., Schroder J.-M., Springer International Publishing Switzerland, 2016, pp. 1-15.

Starner T.D., Swords W.E., Apicella M.A., McCray P.B. Jr. Susceptibility of nontypeable Haemophilus influenzae to human betadefensins is influenced by lipooligosaccharide acylation. Infect. Immun., 2002, Vol. 70, no. 9, pp. 5287-5289.

Weinberg A., Quinones-Mateu M.E., Lederman M.M. Role of human beta-defensins in HIV infection. Adv. Dent. Res., 2006, Vol. 19, no. 1, pp. 42-48.

Zanger P., Holzer J., Schleucher R., Scherbaum H., Schittek B., Gabrysch S. Severity of Staphylococcus aureus infection of the skin is associated with inducibility of human beta-defensin 3 but not human beta-defensin 2. Infect. Immun., 2010, Vol. 78, no. 7, pp. 3112-3117.

Zanger P., Nurjadi D., Vath B., Kremsner P.G. Persistent nasal carriage of Staphylococcus aureus is associated with deficient induction of human beta-defensin 3 after sterile wounding of healthy skin in vivo. Infect. Immun., 2011, Vol. 79, no. 7, pp. 2658-2662.

Zautner A.E. Adenotonsillar disease. Recent Pat. Inflamm. Allergy Drug Discov., 2012, Vol. 6, no. 2, pp. 121-129.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.