Metabolic regulation of antifungal immunity: from basic mechanisms to clinical translation

Abstract

Aspergillus fumigatus é um fungo oportunista responsável por um largo espectro de doenças com manifestações clínicas, que podem ir desde a colonização a síndromes alérgicos, até formas invasivas de infeção. Até à data, não existem vacinas aprovadas para a aspergilose e os métodos usados para o diagnóstico desta doença não apresentam sensibilidade e especificidade adequadas, o que resulta em altas taxas de morbilidade e mortalidade após infeção. É assim, de extrema importância, que a compreensão dos mecanismos de defesa do hospedeiro seja aprimorada, de forma a permitir o desenvolvimento de tratamentos ou de abordagens profiláticas mais eficazes. No conjunto das células do sistema imune inato, os macrófagos são considerados essenciais para a prevenção da germinação do fungo e da invasão dos tecidos logo após a infeção. Como resposta à infeção, os macrófagos adaptam os seus programas metabólicos, entre os quais o aumento da glicólise que alimenta as funções efetoras microbicidas. Neste trabalho, demonstrámos que em resposta à infeção com A. fumigatus, os macrófagos reprogramam o seu metabolismo, ativando o metabolismo glicolítico, essencial para a eliminação do fungo e sobrevivência dos macrófagos. Demonstrámos ainda que a ativação da glicólise é dependente da melanina, expressa na parede celular fúngica. Através da remodelação da maquinaria intracelular de cálcio e do bloqueio da sua sinalização via calmodulina, a melanina induz sinais imunometabólicos que ativam a molécula HIF-1α e recrutam a molécula mTOR para o fagossoma, culminando na ativação da glicólise. Adicionalmente, a contribuição da glicólise para a imunidade antifúngica é também suportada neste trabalho pela identificação de variantes genéticas no gene que codifica a enzima glicolítica PFKFB3, que atuam como cQTLs e que predispõem recetores de transplantes de progenitores hematopoiéticos para o desenvolvimento de aspergilose pulmonar invasiva (API) como resultado de uma desregulação na reprogramação do seu metabolismo celular. Em suma, os nossos dados demonstram um mecanismo fundamental na regulação imunometabólica durante a infeção fúngica e destacam a manipulação metabólica das células imunes como uma estratégia para prevenir ou tratar a aspergilose. Adicionalmente, este trabalho destaca o papel da variação genética em genes metabólicos na suscetibilidade à API e reforça a importância do perfil genético na identificação dos pacientes com maior risco de desenvolverem a doença, e que poderão beneficiar de uma profilaxia antifúngica mais especifica ou de um diagnóstico célere.

The opportunistic fungal pathogen Aspergillus fumigatus can cause a wide spectrum of diseases with clinical manifestations that range from colonization to allergic syndromes, to invasive forms of infection. Because there are no licensed vaccines and the currently available tests for the diagnosis of invasive pulmonary aspergillosis (IPA) lack accuracy, mortality rates after infection remain unacceptably high. Therefore, an improved understanding of host defense mechanisms allowing the development of more effective treatment or control measures for IPA remains a pressing demand. Among the cells from the innate immune system, macrophages are considered critical in preventing fungal germination and tissue invasion early after infection. In response to infection, macrophages rapidly adapt their metabolic programs whereby enhanced glycolysis fuels specialized antimicrobial effector functions. Here, we demonstrated that in response to A. fumigatus infection, macrophages reprogram their metabolism toward glycolysis, critical to fungal elimination and macrophage survival. Moreover, we establish fungal melanin as an essential molecule required for the metabolic rewiring of macrophages during infection with A. fumigatus. By remodeling the intracellular calcium machinery and impairing signaling via calmodulin, fungal melanin drives an immunometabolic signaling axis toward glycolysis with activation of HIF-1α and phagosomal recruitment of mTOR. The contribution of glucose homeostasis to antifungal immunity was further supported by the identification of variants in the gene coding for the glycolytic enzyme PFKFB3 that act as cytokine quantitative trait loci and predispose recipients of stemcell transplantation to IPA as the result of a deregulated reprogramming of cellular metabolism. In summary, our data demonstrate a pivotal mechanism in the immunometabolic regulation during fungal infection and highlight the metabolic repurposing of immune cells as a potential strategy to prevent or treat IPA. Additionally, this work highlights the role of genetic variation in metabolic genes in susceptibility to IPA and reinforces the importance of the genetic profile in the identification of high-risk patients who would benefit from targeted antifungal prophylaxis or a more intensive diagnostic work–up.