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Basale Immunmechanismen des Atemwegsepithels

Mayer, Anja

English Title: Basale immunmechanisms of airway epithelial cells

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PDF, German
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Abstract

Bronchiale Epithelzellen bilden die erste Barriere gegen luftgetragene Infektionserreger. Sie tragen maßgeblich zur mukosalen Immunität bei. Aufgrund des Luftstroms kommen mukosale Oberflächen regelmäßig mit pathogenen sowie auch apathogenen Mikroben in Kontakt. Daher muss die Erkennung von Erregern strikt reguliert werden, um permanente, überschießende Aktivierung zu vermeiden. Toll-like Rezeptoren (TLRs) erkennen konservierte mikrobielle Strukturen und aktivieren Zellen des angeborenen Immunsystems. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass bronchiale Epithelzellen ebenfalls TLR1-6 und TLR9 exprimieren und sich damit eines bekannten Prinzips des angeborenen Immunsystems bedienen, um Infektionserreger zu eliminierten. Es wurde allerdings beobachtet, dass die Stimulation von TLR2 durch den Liganden Lipoteichonsäure nur marginal war. Zudem wurde beobachtet, dass bronchiale Epithelzellen nur sehr schwach mit gram-positiven Bakterien stimuliert werden konnten, wohingegen gram-negative Bakterien aktivierend wirkten. Als zugrunde liegender Mechanismus für die Hyporesponsivität konnte die niedrige Expression von TLR2 und die fehlende Expression des Korezeptors CD36 identifiziert werden. Die Transfektion mit beiden Rezeptoren stellte die Responsivität gegenüber allen TLR2 Liganden und Staphylococcus aureus wieder her. Eine genomweite Expressionsanalyse bestätigte die Hyporesponsivität gegenüber Staphylococcus aureus, wohingegen Pseudomonas aeruginosa und Respiratory-Syncytial-Virus (RSV) sowohl eine gemeinsame Antwort, als auch eine Pathogen-spezifische Antwort induzieren konnten. Diese Daten zeigen, dass die Regulation des Expressionsniveaus von TLR2 eine wichtige Stellgröße darstellt, um in nicht-sterilen Kompartimenten eine unkontrollierte Entzündungsreaktion und epitheliale Dysfunktion zu vermeiden. Im Weiteren wurde das Zusammenspiel zwischen Epithelzellen und professionellen Immunzellen untersucht, um die Hypothese zu testen, dass ein organspezifisches Mikromilieu Immunantworten reguliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Kokultur von Dendritischen Zellen (DCs) oder Monozyten mit BEAS-2B Zellen, einer bronchialen Epithelzelllinie, in einer reduzierten IL-12 und TNF Freisetzung resultierte. Die Stimulation von DCs oder Monozyten in Anwesenheit von Epithelzellkonditioniertem Überstand oder in einem Transwellansatz führte ebenfalls zur Inhibition der Zytokinfreisetzung. Die Befunde zeigen, dass bronchiale Epithelzellen lösliche Faktoren sezernieren, welche DCs und Monozyten hemmen. Diese Beobachtungen konnten mit murinen primären, trachealen Epithelzellen und knochenmarksgenerierten DCs (BMDDCs) verifiziert werden. Weiterhin hatte der lösliche Faktor, der konstitutiv von Epithelzellen sezerniert wird, Einfluss auf die Expression kostimulatorischer Oberflächenmoleküle auf BMDDCs. Es konnte beobachtet werden, dass die Expression von CD40 und CD86 inhibiert wurde, wohingegen der Überstand CD80 leicht induzierte. Außerdem war die DC-vermittelte T-Zellproliferation in Anwesenheit von Epithelzell-Überstand reduziert. Zusätzlich konnte ein direkter Einfluss des Epithelzell-konditionierten Überstandes auf TLymphozyten beobachtet werden. Ein inhibitorisch wirkenden Faktor im epithelialen Überstand wurde als TGF-B identifiziert. Die Inhibition der Zytokinfreisetzung in Monozyten war mittels blockierender Antikörper nicht auf die Wirkung von TGF-B zurückzuführen, jedoch spielte TGF-B bei der reduzierten T-Zellproliferation eine Rolle. Die hier vorgelegten Daten zeigen, dass bronchiale Epithelzellen als basale Immunzellen betrachtet werden können, die aktiv in die Erkennung mikrobieller Erreger involviert sind. Zusätzlich bilden bronchiale Epithelzellen ein Mikromilieu, welches professionelle Immunzellen so verändert, dass unkontrollierte Aktivierung verhindert und Homöostase in der Lunge gewährleistet wird.

Translation of abstract (English)

Bronchial epithelial cells (BEC) represent the first line of defence against invading airborne pathogens. They are important contributors to innate mucosal immunity. Mucosal surfaces are prone to contact with pathogenic as well as non-pathogenic microbes and therefore immune recognition principles have to be tightly controlled to avoid uncontrolled permanent activation. Toll-like receptors (TLRs) have been shown to recognize conserved microbial patterns and to mediate inducible activation of innate immunity. Within this work it is demonstrated that bronchial epithelial cells express functional TLR1-6 and 9 and thus make use of a common principle of professional innate immune cells. While it was observed that TLR2 ligands dependent on heterodimeric signaling either with TLR1 or TLR6 were functional, other ligands like lipoteichoic acid were not. Additionally it was found that bronchial epithelial cells could be stimulated only marginally by gram-positive bacteria bearing known TLR2 ligands whereas gram-negative bacteria were easily recognized. This correlated with low expression of TLR2 and the missing expression of the co-receptor CD36. Transgenic expression of both receptors restored responsiveness to the complete set of TLR2 ligands and Staphylococcus aureus. Further gene-array experiments confirmed hyporesponsiveness to the latter bacterium whereas Pseudomonas aeruginosa and respiratory syncitial virus (RSV) induced common as well as pathogenspecific sets of genes. The findings indicate that bronchial epithelium regulates its sensitivity to recognize microbes by managing receptor expression levels. This could serve the special needs of controlled microbial recognition in mucosal compartments. It was further investigated whether BEC and professional immune cells interacted with each other, to test the hypothesis that organ-specific microenvironment regulated immune responses. It was shown that co-culturing of dendritic cells or monocytes with BEAS-2B (a bronchial epithelial cell line) resulted in the reduction of IL-12 and TNF-α secretion. The inhibition of the cytokine release was also observed when DCs or monocytes were cultured with supernatants from BEAS-2B or stimulated in a transwell-system. This identifies a soluble factor as underlying principle. The results could be verified by using murine primary tracheal epithelial cells and bone-marrow derived DCs (BMDDCs). Furthermore, this soluble factor that is constitutively released by BECs was responsible for changes in the BMDDCs phenotype with a clear reduction of CD40 and CD86, whereas CD80 was slightly enhanced. Finally, DC mediated induction of proliferation in a mixed leukocyte reaction (MLR) with T cells was reduced in the presence of BECs. Also, a direct effect of BEC on T cells could be observed. Using neutralizing antibodies it could be shown that TGF-β played a role for BEC mediated inhibition. Whereas TGF-β was dispensable for the inhibiting effects of BEC on monocytes, TGF-β was involved in the inhibitory effects on T cell proliferation. The results indicate that BEC serve as simple immune cells being able to actively recognize invading pathogens. BEC also create a non-inflammatory milieu that educates professional immune cells to maintain homeostasis in the lung. Thus BEC contribute to a local microenvironment that modulates professional immune cells to adapt for local requirements, especially within non-sterile compartments.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bartenschlager, Prof. Ralf
Date of thesis defense: 20 July 2007
Date Deposited: 02 Aug 2007 14:00
Date: 2007
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Hygiene-Institut
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Immunozyt, Immunsystem, Epithel, Lunge, Atemwegsinfektion
Uncontrolled Keywords: Immunmodulation , Immunregulationairway epithelial cells , immune regulation
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