De rol van de microbiota van de bovenste luchtwegen bij luchtweginfecties in kinderen

In de Gouden Eeuw nam de Republiek der Zeven Verenigde Nederlanden wereldwijd een vooraanstaande positie in met betrekking tot het ontdekken van het onbekende. Niet alleen brachten de Nederlanders vreemde landen en nieuwe hemellichamen in kaart, maar ook pionierde Antoni van Leeuwenhoek, met zijn uitvinding van de microscoop, in de ontdekking en exploratie van de microscopische wereld. Met name zijn experimenten met animacules (microben) waren de basis van een nieuwe wetenschap: microbiologie.

Van Leeuwenhoek stierf op 90-jarige leeftijd. Dit was uitzonderlijk omdat mensen in de 17e eeuw over het algemeen niet ouder werden dan 40-50 jaar. Infectieziekten waren de belangrijkste doodsoorzaak, vooral bij kinderen. Door de ontwikkelingen in de geneeskunde en in publieke gezondheidszorg, zoals de introductie van hygiënemaatregelen, vaccinatieprogramma’s en de beschikbaarheid van antibiotica, zijn de sterftecijfers sterk afgenomen.

Acute luchtweginfecties veroorzaken echter nog steeds belangrijke gezondheidsproblemen. Luchtweginfecties zijn wereldwijd de primaire oorzaak van kindersterfte, voornamelijk in lage inkomenslanden. In midden- en hoge- inkomenslanden zorgen luchtweginfecties voor een groot deel van de ziektecijfers. Bovendien zijn bovenste luchtweginfecties, zoals verkoudheden en oorontstekingen, een van de belangrijkste redenen voor het voorschrijven van antibioticaVolgens de zogenaamde Germ Theory of Disease van Louis Pasteur en Robert Koch in de 19e eeuw, wordt een luchtweginfectie veroorzaakt door een enkel ziekmakend micro-organisme, zoals een Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae of rhinovirus. Deze microben zitten echter ook zeer vaak in de bovenste luchtwegen van kerngezonde kinderen. Steeds meer komen we erachter dat deze potentieel ziekmakende micro-organismen deel uitmaken van een ecologische gemeenschap met andere bacteriën, virussen en eukaryoten, die ook wel wordt geduid als microbiota.

cover ms 2002 300x466.jpg

The role of the upper respiratory tract microbiota in childhood respiratory infections,W.H. ManPromotoren: prof. E.A.M. Sanders, prof. D. BogaertCopromotor: dr. M.A. van HoutenUniversiteit: Universiteit UtrechtISBN:  978 946 323 66 69URL:  http://dspace.library.uu.nl/handle/1874/380426

De nasopharyngeale microbiota voorspellen het ziektebeloop van kinderen met een acuut loopoor

We hebben het ecosysteem onderzocht in de bovenste luchtwegen van 94 kinderen die trommelvliesbuisjes hadden. Zij waren acuut ziek geworden door een middenoorontsteking. Daarvoor hebben we de samenstelling van de microbiota in de neus-keelholte (nasopharynx) en in het middenoorvocht dat uit de trommelvliesbuisjes liep, vergeleken. Hieruit bleek dat in het middenoorvocht gemiddeld 26 verschillende bacteriële soorten (ook wel species genoemd) voorkomen. Ook was er sprake van een sterke correlatie met de micro-organismen in de neus-keelholte. Hiermee steunen we de hypothese dat de samenstelling van de microbiota in het middenoor voortkomt uit de microbiota in de neus-keelholte.

Verder was het opvallend dat de micro-organismen in de neus-keel het natuurlijke beloop van de acute middenoorontstekingen konden voorspellen, terwijl dit niet mogelijk was op basis van de samenstelling van de microbiota van het middenoorvocht. Dit impliceert dat de samenstelling van de microbiota in de neus-keelholte niet alleen de bron is voor ziekmakende bacteriën in het middenoor, maar ook bepalend voor de weg naar herstel. Dit werd versterkt door de sterke associatie tussen het voorkomen van Dolosigranulum en Corynebacterium in de nasopharynx en een sneller natuurlijk herstel van de middenoorontsteking. Dolosigranulum en Corynebacterium worden in de literatuur exclusief geassocieerd met gezonde luchtwegen.

Moraxella catarrhalis kan een commensaal zijn in plaats van een ziekteverwekker

Moraxella catarrhalis wordt beschouwd als een van de belangrijkste veroorzakers van middenoorontstekingen. Een interessante bevinding in het onderzoek was dat we in geen enkele analyse een associatie vonden tussen de relatieve aanwezigheid van M. catarrhalis in de neus-keelholte en in het middenoorvocht. De veronderstelling dat M. catarrhalis een onschadelijk micro-organisme (commensaal, is en mogelijk zelfs onderdeel van een ‘beschermend’ microbiota, wordt onderschreven door de consistente associatie van M. catarrhalis met de gezondheid van luchtwegen in alle onderzoeken van deze promotie. Onze resultaten bieden stof tot nadenken en onderschrijven de zorgvuldigheid die nodig is bij eventuele toekomstige vaccinatiestrategieën tegen M. catarrhalis. Hoewel er continu nieuwe vaccinatie-antigenen worden geïdentificeerd, zijn ze nog niet onderzocht in een klinische trial.

Microbiota- en kindkarakteristieken kunnen infecties van de onderste luchtwegen onderscheiden van gezondheid

We hebben een case-controlstudie opgezet naar infecties van de onderste luchtwegen. Hiervoor hebben we tegenover elk ziek kind dat opgenomen was in een ziekenhuis vanwege een infectie van de ondersteluchtwegen (n=154) 2 gezonde kinderen (n=307) geplaatst die waren geselecteerd op basis van leeftijd, geslacht en tijd. Uit deze studie blijkt dat er een sterk verband is tussen de micro-organismen in de neus-keelholte en het ontstaan van infecties van de onderste luchtwegen,  gedefinieerd conform de criteria van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO). Virussen waren alomtegenwoordig in de neus-keelholte, waarbij 97.1% van de zieke kinderen en 82.5% van de gezonde kinderen ten minste 1 virus bij zich droeg (p=0·00019). In de zieke kinderen zaten vooral het respiratoir-syncytieelvirus (RSV) en humaan-metapneumovirus. Rhinovirus werd significant vaker aangetoond bij gezonde kinderen. Wat betreft de bacteriële micro-organismen vonden we telkens een sterke associatie tussen kinderen met een infectie van de onderste luchtwegen en de relatieve aanwezigheid van haemophilusspecies, S. pneumoniae en orale species. In de microbiota van gezonde kinderen werden daarentegen potentieel gunstige bacteriën zoals Moraxella, Corynebacterium, Dolosigranulum en Helcococcus aangetroffen.

Het belangrijkste resultaat van de case-controlstudie is dat zieke kinderen op een geheel nieuwe manier onderscheiden kunnen worden van gezonde kinderen door de combinatie van virale, bacteriële en kindgerelateerde gegevens, zoals borstvoeding of een voorgeschiedenis van infecties van de onderste luchtwegen. Het onderscheidende vermogen (ondersteluchtweginfectie versus gezond) van de gecombineerde gegevens was uitstekend (area under the curve = 0.92) en overtrof dat van de niet gecombineerde gegevens. Deze mate van nauwkeurigheid is niet eerder beschreven. Het gegeven dat het in onze studie alleen lukte door de integratie van meer verschillende gegevens, geeft aan dat het ontstaan van infecties van de onderste luchtwegen bij kinderen complex is en van veel factoren afhangt. Hoewel onze werkwijze zeer kunstig lijkt, tonen enkele proof-of-principlestudies aan dat de klinische toepassing van deze mathematische modellen wellicht dichterbij is dan gedacht. Hiermee lijkt de weg gebaand voor een evolutie van de diagnostiek van infecties van de onderste luchtwegen bij kinderen, met hedendaagse moleculaire tools naast de eeuwenoude technieken die uitgevonden zijn door Antoni van Leeuwenhoek (microscoop), Robert Koch (kweekplaten), en Louis Pasteur (anaerobe kweekmethoden).

RSV-profylaxe als zuigeling beïnvloedt luchtwegmicrobiota op de leeftijd van 6 jaar

In een derde studie hebben we onderzoek gedaan naar RSV, een van de belangrijkste veroorzakers van  infecties van de ondersteluchtwegens bij kinderen. Hiervoor hebben we de gegevens bestudeerd van een onderzoek onder 429 kinderen die in hun eerste levensjaar ofwel profylaxe tegen RSV kregen met palivizumabvaccinaties,  ofwel behandeld werden met een placebo. We vonden dat de palivizumabvaccinaties een beperkt maar evident effect had op de samenstelling van de luchtwegmicrobiota op de leeftijd van 6 jaar. Opvallend was dat in de kinderen die palivizumabvaccinaties hadden gekregen, op 6-jarige leeftijd vooral Haemophilus werd aangetoond en minder Moraxella. Met andere woorden, hun luchtwegmicrobiota hadden microbiële kenmerken die wij en anderen altijd relateerden aan acute middenoorontstekingen en infecties van de onderste luchtwegen. Verder vonden we de positieve associatie tussen de relatieve aanwezigheid van Haemophilus in de neus-keelholte en de reversibiliteit na bronchusverwijding vanwege een longfunctieonderzoek, een van de kenmerken van astma. Het onderzoek naar RSV illustreert hoe een schijnbaar eenvoudige interventie meerdere beoogde maar ook mogelijk onbedoelde gevolgen kan hebben het evenwicht tussen gastheer en de samenstelling van microbiota. 

Verlies van microbiële topografie is gerelateerd aan luchtweginfecties

In onze laatste studie hebben we verder ingezoomd op de dynamiek van micro-organismen in de bovenste luchtwegen van zuigelingen. En we hebben 112 kinderen onderzocht die we vanaf hun geboorte tot aan de leeftijd van 6 maanden heel vaak bezochten voor het afnemen van samples.

We vonden een sterke relatie tussen luchtweginfecties en de microbiële topografie van de bovenste luchtwegen (i.e. de dynamiek over de tijd tussen de microbiota in de mondholte en in de neus-keelholte). Het verlies van microbiële topografie was namelijk sterk geassocieerd met de mate van vatbaarheid voor luchtweginfecties. Dit fenomeen werd hoofdzakelijk bepaald door de toevloed van bacteriële soorten vanuit de mondholte naar de neus-keelholte, maar niet vice versa. De aanwezigheid van bacteriën in de neus-keelholte afkomstig uit de mondholte ging vooraf aan de klachten die uiteindelijk ontstonden bij de luchtweginfecties. Deze resultaten leveren sterk bewijs voor de hypothese dat verlies van microbiële topografie een afgeleide is van een luchtwegmicrobiota die uit balans is (ook wel: dysbiose) en gerelateerd is aan vatbaarheid van luchtweginfecties.

Wij zagen in deze studie ook dat verlies van microbiële topografie wordt voorkomen met de relatieve aanwezigheid in de neus-keelholte van vermoedelijk gunstige corynebacterium-, dolosigranulum- en moraxellasoorten. Uit dit promotieonderzoek en uit de literatuur blijkt dat er sterke aanwijzingen zijn dat deze soorten een sleutelrol hebben in de microbiota van de neus-keelholte en lijken ze een poortwachter te zijn van luchtweggezondheid.Herstel van deze gunstige commensalen die verdwenen zijn in de dysbiose tijdens ziekte, lijkt een duidelijke prioriteit. Dit zou kunnen door bijvoorbeeld borstvoeding en vaginale geboortes te blijven stimuleren. Maar ook door het ontwikkelen van een probioticum dat dezelfde gunstige effecten heeft. In dat kader tonen enkele pilotstudies bij muizen en volwassen mensen aan dat de toediening van Corynebacterium als neusspray veilig en effectief is om microbiële dysbiose te voorkomen. Hoewel zo’n behandeling voor kinderen waarschijnlijk nog jaren duurt, geven de eerste successen in pilotstudies ons realistische hoop voor de toekomst.

Slotwoord

Baby’s worden geboren in een wolk van microben. Het opgroeien van een kind verloopt synchroon met de vorming van zijn microbiota en kan worden beschouwd als een verbluffende, ecologische gebeurtenis. Tijdens dit promotietraject hebben we ontdekt dat de microbiota in de neus-keelholte de grens vormt tussen de omgeving en de luchtwegen. De nieuwe kennis die dit promotieonderzoek heeft opgeleverd is veelbelovend voor toekomstige diagnose, behandeling en preventie van luchtweginfecties bij kinderen.

Auteur

W.H. Man, Willem Alexander KinderZiekenhuis, LUMC, Leiden

Correspondentie

W.H. Man@lumc.nl 

Infectieziekten Bulletin, jaargang 31, nummer 1, september 2020