Сравнительная характеристика генотипов интерлейкинов и риски реализации фенотипов бронхиальной астмы у детей

В последние десятилетия молекулярная диагностика, генетическое и эпигенетическое редактирование, анализ мультиомных данных внесли значительный вклад в определение предикторов, триггеров и патогенетических механизмов заболеваний. Описаны новые эндотипы мультифакториальных заболеваний, среди которых бронхиальная астма характеризуется разными патофизиологическими механизмами [1–5]. Бронхиальная астма является гетерогенным заболеванием, от которого во всем мире страдает более 350 миллионов человек [6].

Генетические факторы играют значительную роль в риске развития бронхиальной астмы, при этом полногеномные ассоциативные исследования показали, что выявленные генетические варианты объясняют только примерно 9% наследственности астмы, что может быть объяснено повышенной пенетрантностью генотипов предрасположенности к астме, факторами окружающей среды, которые проявляют свое влияние через взаимодействие генов и окружающей среды [7][8][9]. Эти данные перенаправили траекторию исследований основных дескрипторов заболеваний от патомеханистического подхода по симптомам и дисфункции органов к распознаванию патогенетических иммунологических, метаболических путей и поиску валидных биомаркеров [1][10][11][12]. Идентификация биомаркеров, способных прогнозировать риски развития и эффективность терапии бронхиальной астмы, являются областью приоритетных научных исследований [13].

Внедрение прецизионной медицины, концепций эндотипов заболеваний, генотипов и региотипов позволяет стратифицировать пациентов на основе патогенетических механизмов заболевания для оптимизации лечения бронхиальной астмы и аллергических заболеваний [10][11][12]. Многообразие патогенетических факторов определяет клинический полиморфизм и гетерогенность бронхиальной астмы, где генетическая предрасположенность реализуется во взаимодействии с факторами окружающей среды и проявляется формированием патологического фенотипа болезни. Идентификация биомаркеров, способных прогнозировать риски фенотипических вариантов болезни и эффективность терапии астмы, является областью интенсивных исследований. Дополнительную информацию могут дать объективные измерения уровней аллерген-специфических IgE, цитокинов и других маркеров различных типов воспаления [14]. Биомаркеры, отражающие патофизиологические (биологические) процессы, необходимы для мониторинга здоровья пациентов, включая клинические признаки и клинико-лабораторные исследования, геномные индексы и другие, которые можно объективно измерить и использовать в качестве индикаторов патофизиологических процессов [15].

Нами проведен анализ генотипов интерлейкинов и содержание в сыворотке крови иммуноглобулина Е у 150 детей с верифицированным диагнозом бронхиальной астмы с разделением на подгруппы в зависимости от фенотипа (вирус-индуцированная (ВБА) и аллерген-индуцированная (АБА) по 75 детей) и 100 детей с первой группой здоровья в возрасте от трех до одиннадцати лет (табл.). Оценка встречаемости однонуклеотидных полиморфизмов генов интерлейкинов у детей с бронхиальной астмой выявила высокую распространенность гомозиготного генотипа интерлейкина 2 (G-330G) и гетерозиготных генотипов следующих интерлейкинов: IL-4 (C-589T), IL-6 (С-174G), IL-10 (С-592A; С-819T; G-1082A), IL-17А (G-197А), IL-17F (T-7488C). В группе здоровых детей генотипы интерлейкинов существенно отличаются. Здесь преобладают IL-2 (Т-330G), IL-4 (С-589С), IL-6 (C-174G), IL-10 (С-592A; С-819С; G-1082G), IL-17А (G-197А), IL-17F (T-7488C).

Анализ взаимосвязей генотипа и продукции интерлейкинов с высокой патогенетической значимостью при бронхиальной астме определил достоверно наиболее высокие уровни содержания интерлейкина у детей с гомозиготными генотипами IL-4 ТТ, IL-6 GG как в группе наблюдения, так и среди здоровых сверстников. Незначительные уровни соответствующих интерлейкинов в сыворотке крови детей определены при наличии гомозиготных генотипов IL-4 СС и IL-6 СС (рис. 1, 2).

Проведенные исследования определили статистически значимое влияние генотипа на аберрантную продукцию интерлейкинов. При парном сравнении содержания интерлейкинов 4 и 6 в сыворотке крови и структуры генотипа отмечена гиперпродукция IL-4 у детей при бронхиальной астме с генотипом TT. В группе здоровых сверстников значимо отличается синтез IL-6 при гомозиготных генотипах CС и GG, а у детей при БА с гетерозиготным и гомозиготным генотипами CG и GG (рис. 2).

Анализ ассоциации продукции и полиморфизма генов IL-10 в позициях G-1082A, C-819T и C-592A выявил достоверно значимое влияние генотипа на реализацию заболевания и парное взаимодействие генотипа на продукцию интерлейкина. У здоровых сверстников значимые отличия содержания IL-10 в сыворотке крови отмечены у детей с гомозиготным генотипом: AA и GG, а среди детей с бронхиальной астмой при наличии генотипа GG показатели IL-10 отличаются в группе контроля с любыми генотипами.

Однонаправленные данные выявлены в оценке корреляции генотипа C-819 T и уровня IL-10 в сыворотке крови. Уровни IL-10 в сыворотке крови у детей с генотипом СС отличается от таковых в группе контроля и детей с БА с другими генотипами, а при наличии «мутантного» генотипа ТТ идентичны показателям здоровых детей с любым генотипом. Исследования ассоциации полиморфизма C-592A и синтеза IL-10 значимых отличий в зависимости от генотипа не выявили.

Высокие показатели IL-17А в сыворотке крови определены у детей с генотипом АА и среди здоровых, и при бронхиальной астме, наименьшее содержание данного интерлейкина у детей отмечено при наличии гомозиготного генотипа GG. Значимые различия в содержании IL-17А зафиксированы у детей с гомозиготными генотипами, а при наличии генотипов GG и GA у здоровых детей носило характер тенденции. В группе детей с бронхиальной астмой определены высокие и вариативные показатели содержания IL-17F в сыворотке крови при генотипах СС и CT, у здоровых сверстников только при генотипе CC. Медиана и квартили уровня IL-17F в сыворотке крови у детей с генотипом ТТ в обеих группах практически не различались.

Исследование взаимосвязи генотипа интерлейкинов и содержания общего и специфического IgE выявило корреляции между показателями по полиморфизму T-330G IL-2. У детей с астмой выявлено значимое влияние генотипа IL-2 по полиморфизму T-330G и уровня общего IgE (p < 0,003) и эффекта их парного взаимодействия (p < 0,001). В исследуемых группах наиболее высокие показатели общего IgE в сыворотке крови отмечались у детей с генотипом GG, с максимальной вариацией при генотипе ТG. У здоровых детей с разными генотипами IL-2 по полиморфизму T-330G значимых отличий в уровнях IgE не обнаружено. Наиболее высокие значения медианы специфического IgE зафиксированы у детей с бронхиальной астмой с генотипом GG по полиморфизму T-330G IL-2, при высокой вариабельности значений иммуноглобулина при всех генотипах. Проведенное исследование структуры и встречаемости полиморфизмов промоторной части генов IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-17А, IL-17F показало наличие и значимость корреляционной зависимости аллельных вариантов генов и продукции соответствующих интерлейкинов и IgE.

Анализ встречаемости генетических полиморфизмов генов исследуемых цитокинов у детей с различными фенотипами бронхиальной астмы выявил достоверные различия по генотипам практически всех исследуемых интерлейкинов.

При анализе встречаемости и структуры полиморфизма T-330G IL-2 у детей с фенотипом ВБА и фенотипом АБА чаще определяется гомозиготный генотип GG. Среди детей с аллергическим фенотипом гомозиготный генотип GG выявлен в 50,67% случаев, при вирус-индуцированном варианте – в 45,33% случаев, а среди здоровых детей – только в 16% случаев, что повышает риски развития и реализации вирус-индуцированного фенотипа болезни с OR = 3,73 CI 95% (2,37–5,87) при χ² = 33,82; р < 0,001. В группе детей с ВБА при исследовании генотипа IL-4 589C/T частота встречаемости гомозиготного аллеля IL-4 (T874T) составила 30,67% и значительно превышала распространенность у здоровых сверстников (5,00%), гетерозиготного генотипа в 53,33 и 20,00% соответственно. Носительство функционального неблагоприятного аллеля Т полиморфизма T874T гена IL-4 сочеталось с возрастанием риска развития вирус-индуцированного фенотипа болезни (χ² = 56,97; р = 0,001; OR =19,30 (11,23–33,31) CI 95%). Среди детей при АБА носительство мутантного аллеля встречалось реже, чем у детей при вирус опосредованном фенотипе болезни, но значимо чаще, чем в группе здоровых сверстников, увеличивая риск развития болезни.

У детей с ВБА встречаемость мутантного генотипа G174G гена IL-6 выше, чем у здоровых сверстников (20,00% против 7,00% соответственно), коэффициент OR = 1,49 при χ² = 3,35; р = 0,224 CI 95% (0,96–2,29). Гетерозиготный аллель G174С в этой группе детей определен в 53,00% случаев, а у детей с АБА носительство данного аллеля и гомозиготного G174G определялось чаще с высоким коэффициентом OR (табл.).

У детей с реализацией разных фенотипов бронхиальной астмы в отличие от здоровых сверстников чаще встречались гомозиготный генотип АА IL-10/592 С/А и гетерозиготные генотипы СТ IL-10/819С/Т и GА IL-10/1082 G/А, в то время как среди здоровых сверстников преобладали гомозиготные генотипы СС, СС и GG соответственно. У детей с АБА носительство мутантных аллелей IL-10 A592A и А1082А встречалось чаще, чем у детей с вирус опосредованным фенотипом болезни, что определяло OR (CI 95%) 3,10 (1,99–4,81) и 2,49 (1,61–3,86) соответственно при χ², равном 26,01; р < 0,001 и 17,09; р < 0,01 соответственно в первом случае и OR (CI 95%) 3,34 (2,14–5,20) и 2,64 (1,69–4,12) соответственно при χ² = 32,14; р < 0,001 и 18,91; р < 0,01 во втором случае. Наличие однонуклеотидных замен данных полиморфизмов статистически достоверно увеличивает риск развития аллерген-индуцированного фенотипа бронхиальной астмы в 3,10 раза при носительстве A592A, в 1,50 раза при Т819Т и в 3,34 раза А1082А. Анализ гетерозиготных генотипов С592А, С819T и G1082А IL-10 выявил, что у детей с ВБА частота встречаемости выше, чем при АБА, и составила для вирус-индуцированого фенотипа С592А 62,70% против 38,70%, для С819T 77,30% против 73,40% и для G1082А 73,30% против 42,70% соответственно.

Различия встречаемости генотипов IL-10 у здоровых детей и детей с реализацией различных фенотипов бронхиальной астмы проиллюстрировал преобладающе высокий удельный вес в группе здоровых сверстников гомозиготных генотипов С592С, С819С, G1082G. Эти последние можно охарактеризовать как протективные, а наличие мутантных генотипов А592А и А1082А как предикторы, отражающие высокий риск развития бронхиальной астмы.

В структуре и встречаемости однонуклеотидных полиморфизмов IL-17A (G-197A) у детей с АБА выявлен высокий удельный вес генотипа АА 40,00%, единичная встречаемость аллеля GG при доверительном интервале коэффициента отношения шансов от 0,32 до 0,71. У детей с реализацией ВБА наличие мутантного аллеля A зафиксировано у 26,70% при коэффициенте отношения шансов 0,27 и показателе χ², равном 12,02 (р = 0,39), с доверительным интервалом (0,19–0,37).

Исследование однонуклеотидных полиморфизмов в гене IL-10 (G-1082A, C-819T, С-592A) среди детей с бронхиальной астмой выявило протективный эффект при наличии генотипа GG в положении 1082, генотипа ТТ в 819 и СС в положении 592. Генотип АА IL-10 G-1082A в группе у детей с БА имел наибольшую распространённость и высокий риск развития болезни. Высокие цифры содержания IL-17A в сыворотке крови детей определялись при наличии генотипа АА, а IL-17F при гомозиготном генотипе TT. Шансы относительного риска развития АБА у детей с генотипами IL-17А(G-197A) АА и IL-17F(T-7488C) CC статистически значимо выше, чем у детей с другими генотипами, а при наличии генотипов GG (IL-17А(G-197A)) и TT (IL-17F(T-7488C)) по критерию χ² Пирсона статистически значимо ниже, чем у детей с другими генотипами. Как известно, бронхиальная астма – гетерогенное заболевание с мультифакториальным сложным патогенетическим механизмом [16][17]. Поиск генетических маркеров, контролирующих иммунные патогенетические механизмы различных фенотипов бронхиальной астмы, связан с ассоциаций полиморфных локусов генов-кандидатов с развитием и тяжестью течения аллергических заболеваний. Аллергическая бронхиальная астма представляет один из наиболее распространенных фенотипов, формирующийся вследствие механизмов Т2-воспаления [17–20].

Патогенез БА инициируется сверхэкспрессией интерлейкинов и хемокинов, включая IL-4, IL-5, IL-13, CCL17 и CCL18, и продукцию Ig E [21]. Молекулы IL-4 играют важную роль в дифференцировке Th2- и B-клеток. Они стимулируют созревание избирательных клонов B-лимфоцитов и выработку антигенспецифического IgE. Секвенирование РНК при БА с ранним началом продемонстрировало нарушение регуляции маркеров, связанных с Th2 и Th22/Th17, включая значительный уровень IL-4 [22–25].

Оценка роли генотипов и продукции интерлейкинов в аллергическом воспалении и патофизиологии астмы является важным диагностическим шагом в изучении заболевания. Биомаркеры Т2-воспаления важны при определении фенотипа и прогноза бронхиальной астмы [25][26].

Исследование генов, контролирующих активность интерлейкинов, важны для выявления предрасположенности к бронхиальной астме, раскрытии ее основных патогенетических звеньев и фенотипических вариантов. Характеристика новых биомаркеров и выявление фенотипических подгруппы пациентов с различными генетически опосредованными иммунологическими профилями может способствовать разработке персонализированных стратегий лечения для модификации заболевания и целенаправленной профилактики [27].

Однонуклеотидные полиморфизмы на хромосоме 17q12–21 связаны с генетическим риском развития астмы у детей и ассоциированным с риновирусом свистящим дыханием при последующей инициации астмы. В исследовании отмечено, что генотип-специфичный риск развития астмы присутствовал только у детей, у которых эпизоды свистящего дыхания возникали из-за риновирусной инфекции [28]. У новорожденных, инфицированных респираторными вирусами, наблюдаются снижение синтеза интерферона и активация путей Th2 и Th17, что коррелирует с рецидивирующими хрипами в последующие два года жизни [29].

Интересно отметить, что носители аллелей риска 17q21, выросшие в фермерских или сельских условиях, также оказываются более защищенными от развития астмы. Риски возникновения бронхиальной астмы снижаются за счет восстановления активации Th1/Th2/Th17 после микробной стимуляции [30][31]. Таким образом, воздействие окружающей среды в раннем возрасте может снизить риск раннего дебюта астмы, обусловленного генетическими вариантами, тем самым предоставляя возможности для стратегий профилактики.

G. Wang и др. [32] посредством протеомного анализа идентифицировали IL-6 и CXCL10 как потенциальные биомаркеры нарушения развития функции легких. В исследованиях городской среды и детской астмы, проведенных L.B. Bacharier и др. [33]с помощью алгоритма кластеризации, определено пять фенотипов, различающихся по характеру хрипов и развитию сенсибилизации к аэроаллергенам.

Проведенный анализ генетической вариации генов цитокинов выявил ассоциативные связи между вариантами генотипов и синтезом цитокинов. Информативность определения однонуклеотидных полиморфизмов генов цитокинов позволяет рассматривать их как дополнительный диагностический предиктор риска развития и реализации определенного фенотипа аллергического заболевания у детей. Взаимосвязь продукции IL-4, IL-6, IL-10, IL-17А, IL-17F и IgE с полиморфными вариантами промоторных регионов генов свидетельствует о генетической детерминированности уровня синтеза интерлейкинов и иммуноглобулина.

Заключение

Генетические факторы во многом определяют риски развития и эффективность персонифицированной терапии разных фенотипов бронхиальной астмы у детей. Перспективным направлением является изучение ассоциаций полиморфных локусов генов-кандидатов с развитием и тяжестью течения аллергических заболеваний. Полиморфизм единичных нуклеотидов считается наиболее частым изменением структуры генов, при котором какой-либо генетический признак в организме существует в нескольких формах, что приводит к сосуществованию более одного морфологического типа в одной популяции.

Ассоциации содержания с аллельными вариантами промоторных регионов генов интерлейкинов свидетельствует о генетической детерминированности их продукции. Полученные данные подтверждают, что нуклеотидные полиморфизмы, локализованные в промоторах регуляторных участков генов цитокинов, способствуют их влиянию на транскрипционную активность генов, тем самым изменяя уровень соответствующих интерлейкинов. Исследования полиморфизмов генов, особенностей продукции и содержания интерлейкинов Th1/ Th 2/ Th 17 при бронхиальной астме показывают различия в структуре и встречаемости мутантных аллелей. Они вызывают аберрантную продукцию интерлейкинов, вариативность риска развития и реализацию определенного фенотипа заболевания. Носительство мутантных аллелей IL-4 (T-589T) можно характеризовать как генетические предикторы реализации вирус-индуцированного фенотипа, а при наличии мутантных аллелей IL-2 (G-330G), IL-6 (G-174G), IL-17А (А-197А), IL-10 (А-592A), IL-10 (Т-819Т) и IL-10 (А-1082А) выше коэффициент отношения шансов для аллерген-индуцированного фенотипа бронхиальной астмы.

Конфликт интересов: авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования: научное исследование выполнено при финансовой поддержке гранта в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования – ВБШ, ЕВП

Сбор и обработка материала – МСД, АИТ, ВКК, ВАС

Статистическая обработка – МСД, ВАС

Написание текста – ВБШ, ЕВП, МСД, ВАС

Редактирование – ВБШ, ЕВП, МСД, ВАС