Multifaceted contributions of airway epithelial cells and alveolar macrophages to homeostasis surveillance in chronic respiratory disease

Boehme, Julia

Menschen mit chronischen Atemwegserkrankungen (CAE) besitzen eine veränderte Immunität gegenüber Atemwegserregern. Die Identifizierung zugrundeliegender Mechanismen dient dem Verständnis von Pathogenese und Entwicklung von Interventionsstrategien bei CAE. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses einer CAE auf den Verlauf einer Infektion mit Streptococcus pneumoniae. Hierzu wurde das SPC-HAxTCR-HA Mausmodell verwendet. Dieses basiert auf der lungenspezifischen Expression eines Selbstantigens bei gleichzeitiger Bildung selbstantigen-spezifischer T Zellen, wodurch eine chronische Lungenentzündung ausgelöst wird. Wider Erwarten zeigten SPC-HAxTCR-HA Mäuse im Vergleich zu gesunden Mäusen eine erhöhte Resistenz gegen eine S. pneumoniae-Infektion; ein Indiz für die Existenz protektiver Mechanismen. Das Mikromilieu gesunder und vorerkrankter Mäuse wurde mittels Proteomics und Transcriptomics untersucht. Beide Analysen zeigten die Induktion des pIgR-vermittelten Transports sekretorischer Immunglobuline (SIg) in SPC-HAxTCR-HA Lungen; korrelierend mit erhöhter pulmonaler SIg-Konzentration und erhöhter epithelialer pIgR-Expression. In vitro Bindungsassays bestätigten ein erhöhtes Pneumokokken-Opsonisierungspotential der Lungenlavage von SPC-HAxTCR-HA Mäusen. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Untersuchung des Phänotyps und der Rolle von Alveolarmakrophagen (AM) in CAE. Zytometrische, transkriptionelle und funktionelle Analysen zeigten, dass AMs einen aktivierten Phänotyp und eine abgeschwächte pro-inflammatorische antibakterielle Immunantwort besitzen und dem Entstehen einer Bronchopneumonie in CAE entgegenwirken. Dies beruht weder auf der Unterdrückung selbstantigen-spezifischer T Zellen durch AMs noch auf deren antimikrobieller Funktion. Jedoch wurde gezeigt, dass nach AM-Depletion die Transkriptmengen an IL-8 Analoga in ATII besonders in vorerkrankten Lungen anstiegen. Dies korrelierte mit Neutrophilen-Infiltrationen in dieser Gruppe und zeigt ein immunregulatorisches Zusammenwirken von AMs und ATII in CAE. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Lungenepithelzellen in CAE ein wesentliches protektives Element während Infektion mit S. pneumoniae darstellen. Zudem wurde das Zusammenwirken von AM und ATII als essentieller Faktor für das Aufrechterhalten von Immunhomöostase in CAE identifiziert.

Patients with chronic respiratory disease (CRD) show substantially altered immunity towards pathogens. Identifying immunologic factors underlying this finding helps to better understand infections and to improve anti-infectious therapies for this cohort. The first part of this thesis examined the impact of CRD on infection with Streptococcus pneumoniae. The SPC-HAxTCR-HA mouse model (based on the recognition of pulmonary self-antigen by self-antigen specific T cells) was utilized. In vivo experiments revealed increased antipneumococcal resistance of SPC-HAxTCR-HA mice, indicative of inflammation-induced protective mechanisms. Gene expression as well as bronchoalveolar lavage fluid (BALF) proteome was compared between healthy and pre-diseased mice by microarray and LC-MS/MS. Both analyses showed the induction of the polymeric immunoglobulin receptor (pIgR)/secretory immunoglobulin (SIg) axis in SPC-HAxTCR-HA lungs, correlating with elevated lung SIgs and pIgR-expression. Finally, in vitro pneumococcal binding assays showed increased opsonizing activity of SPC-HAxTCR-HA BALF - and thus a protective contribution of lung epithelium to SIg-mediated reinforcement of the mucosa against infection. The second part of this thesis investigated the phenotype of alveolar macrophages (AMs) as well as their immunologic roles in CRD. Cytometric, transcriptional and functional evaluation of AMs showed a markedly altered, activated phenotype and blunted pro-inflammatory immune responses to bacterial ligands. moreover, in vivo clodronate liposome-depletion studies revealed that AMs are essential for preventing the development of bronchopneumonia in SPC-HAxTCR-HA lungs. No or only minor roles of AMs as pulmonary scavengers and controllers of self-antigen specific T cells could be found. In high accordance with the neutrophil-dominated disease phenotype in AM-depleted SPC-HAxTCR-HA lungs, ATII-specific gene expression of IL-8 analogues was highly up-regulated in this group, revealing so far unrecognized immunoregulatory cooperativity between AMs and ATII in CRD. In summary, the present work identified inflammation-primed lung epithelial cells as effective mucosal safeguards against respiratory pneumococcal infection. Moreover, the AM/ATII axis was identified to be an element presumably involved in surveilling pulmonary homeostasis in CRD.

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Boehme, Julia: Multifaceted contributions of airway epithelial cells and alveolar macrophages to homeostasis surveillance in chronic respiratory disease. 2016.

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