German Title: Funktionelle Charakterisierung von gewebeständigen humanen dendritischen Zellen der intestinalen lamina propria unter entzündlichen Bedingungen in gesunden und kranken Individuen

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Abstract

Inflammatory Bowel Diseases (IBD) are a group of intestinal disorders which are increasing in prevalence in industrialized countries. Dynamics of intestinal inflammatory disorders are manifold and investigation of coherences might help developing new therapeutic strategies harnessing the acquired knowledge. Keeping a homeostatic balance in the intestinal environment is vital for normal gut functions, regulating inflammatory and anti-inflammatory processes. Dendritic cells are known as key players in the regulation of intestinal homeostasis as they scavenge their surroundings for antigens followed by the induction of an adaptive immune response. The aim of this study was to investigate the functional properties of resident lamina propria myeloid dendritic cells (mLPDCs) in the shift from a homeostatic to an inflammatory milieu. Utilization of an organ culture model (LEL) made it possible to collect migratory lamina propria mDCs from an acute inflammatory environment. Gene expression analysis of LEL mDCs compared to peripheral blood DCs (PBDCs) revealed a variety of functions attributed to their environment and activation status. The LEL mDCs showed a gene expression profile which hinted at contribution to tissue remodeling and wound healing processes. Moreover, the majority of emigrated LEL mDCs could be attributed to the cDC2 fraction of DCs which exhibit mostly anti-inflammatory functionalities. Upregulation of the IL-12 family member mRNAs encoding for the protein subunits IL-23p19 and EBI3 was striking, hinting at the formation of the newly discovered heterodimeric cytokine IL-39. Both subunit proteins could be detected in LEL mDCs but not in PBDCs. Experiments using recombinant proteins confirmed IL-39 heterodimer formation in vitro as well as in cell culture experiments. However, technical difficulties prevented confirmation of heterodimer presence in primary human lamina propria mDCs. Scientific publications and initial experiments might hint at a possible contribution to wound healing processes related to IL-39 or its subunits. A follow up experiment explored the gene expression profiles of mLPDCs from enzymatically digested IBD patients biopsies under inflammatory and non-inflammatory conditions as well as in healthy individuals. The extracted cells displayed a mixture of cDC1 and cDC2 cells with conserved functional properties across all samples including MHCII dependent antigen presentation and T cell regulatory processes amongst others. The gene expression analysis uncovered new aspects of mLPDCs including involvement in epithelial cell proliferation, humoral immunity and neuronal system development and signaling. Epithelial cell proliferation might contribute to wound healing properties of mLPDCs. Furthermore, the data hints at a mutual influence between mLPDCs and neuronal cells. Another striking observation was the detection of immunoglobulin related mRNAs hinting at yet unexplored functional properties of mLPDCs involving the expression of antibodies. Moreover, differential gene expression in mLPDCs varied for different IBD patient groups compared to healthy individuals.

Translation of abstract (German)

Die Prävalenz chronisch entzündlicher Darmerkrankungen (CED) steigt stetig in industrialisierten Ländern. Ursachen der CEDs sind dabei vielfältig und ein genaueres Verständnis dieser kann dazu genutzt werden, neue Therapien zu entwickeln. Die Regulation von pro- und anti-inflammatorischen Reaktionen im Darm ist wichtig um ein homöostatisches Gleichgewicht aufrecht zu erhalten. Dendritische Zellen sind dafür bekannt hauptsächlich an der Aufrechterhaltung der Homöostase beteiligt zu sein indem sie Antigene ihrer Umgebung prozessieren und dazu eine passende adaptive Immunantwort einleiten. Ziel dieser Studie war es funktionelle Eigenschaften gewebeständiger myeloider dendritischen Zellen unter akuten inflammatorischen Bedingungen zu untersuchen. Durch die Anwendung eines Organkulturmodells (LEL) war es möglich, migratorische mDCs aus einer akut inflammatorischen Umgebung zu isolieren und analysieren. Der Vergleich der Genexpressionsdaten von LEL mDCs mit aus Blut extrahierten DCs (PBDCs) offenbarte neue Funktionen der gewebeständigen Zellen, welche auf ihre Umgebung oder den Aktivierungszustand zurückzuführen sind. So zeigten die LEL mDCs Funktionen zum Gewebeumbau oder einer möglichen Beteiligung an Wundheilungsprozessen anhand des genetischen Profils. Die emigrierten LEL mDCs konnten hauptsächlich dem cDC2 Phänotyp zugewiesen werden, welcher in der Regel anti-inflammatorische Prozesse fördert. Besondere Aufmerksamkeit gebührte der Expression der Interleukin 12 Familie mRNAs für die Proteinuntereinheiten EBI3 und IL-23p19, was auf eine mögliche Expression des erst kürzlich beschriebenen Interleukin 39 hindeutete. Beide Proteinuntereinheiten konnten in LEL mDCs nachgewiesen werden, aber nicht in PBDCs. Die Heterodimerisierung beider Untereinheiten konnte in Experimenten mit rekombinanten Proteinen gezeigt werden, sowohl außerhalb von Zellen als auch in überexprimierenden Zellkulturen. Aufgrund technischer Unzulänglichkeiten konnten diese Beobachtungen nicht für Zellen aus Patientenmaterial gezeigt werden. Bisherige Veröffentlichungen zu IL-39, als auch experimentelle Hinweise, deuten auf eine mögliche Beteiligung dieses Proteins an Wundheilungsprozessen hin. In einem Folgeexperiment wurden Lamina propria mDCs aus enzymatisch verdautem Biopsiegewebe von CED Patienten mit und ohne Entzündung als auch gesunden Probanden untersucht. Extrahierte mDCs beinhalteten sowohl cDC1 als auch cDC2 Zellen und wiesen unter anderem eine Beteiligung bei MHCII assozierter Antigenpräsentation als auch der Regulation von T Zellen auf. Die Genexpressionanalysen deckten drei größere Bereiche auf an denen mLPDCs beteiligt sind: Epithelzellproliferation, humorale Immunität, und Entwicklung und Signaltransduktion von und mit neuronalen Zellen. Die Epithelzellproliferation deutet auf eine Beteiligung an Wundheilungsprozessen hin. Die Daten lieferten außerdem Hinweise auf eine gegenseitige Regulation neuronaler Zellen mit mLPDCs im Darmgewebe. Des Weiteren zeigten mLPDCs von CED Patienten eine stark differentielle Expression von Immunglobulin assoziierten Genen, welche auf eine Beteiligung an humoralen Mechanismen hindeuten. Zudem wurden deutliche Unterschiede in der Expression statistisch signifikant differentiell regulierter Gene bei verschiedenen Gruppen von CED Patienten im Vergleich zu gesunden Individuen beobachtet.