Streptococcus pneumoniae und Influenza A Virus induzierte Immunantwort in kultiviertem, humanem Lungengewebe und Zellkulturen

Abstract

Eine der häufigsten Todesursachen weltweit ist die Pneumonie. Um das Verständnis der Infektionen im Menschen zu verbessern, wurden im Zusammenhang mit dieser Arbeit jeweils ein Streptokokken- und ein Influenza- Infektionsmodell in humanem, kultiviertem Lungengewebe etabliert. Beide Erreger zählen zu den bedeutendsten Lungenpathogenen. Das Streptokokken- Infektionsmodell diente der Untersuchung des Einflusses der Streptokokkeninfektion auf die Regulation der Zyklooxygenase (COX) und der induzierten Zytokinantwort im Lungengewebe. Im Influenza-Infektionsmodell fokussierte die Analyse auf verschiedene Influenzastämme hinsichtlich ihres Replikationsverhaltens, des zellulären Tropismus und der induzierten Zytokinantwort. Weiterhin sollte mit Hilfe von Zellkulturversuchen die Rolle der humanen β-Defensine (hBD)-2 und 3 im Zusammenhang mit einer Streptokokkeninfektion genauer erforscht werden. Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae) vermehrte sich stark im Lungengewebe und induzierte die Bildung von COX-2, während COX-1 konstitutiv exprimiert wurde. Immunhistologische Versuche definierten die zelltypspezifische Induktion der COX-2: Dabei war die COX-2 Expression in Alveolarmakrophagen, Endothelzellen und Typ II Pneumozyten, nicht jedoch Typ I Pneumozyten, nachweisbar. Im Überstand des infizierten Gewebes fand sich ein Anstieg des Prostaglandin E2 (PGE2), welcher sich durch selektive Inhibition der COX-2 unterdrücken ließ. Blockade sowohl der p38 Mitogen-aktivierten Proteinkinase, als auch der extrazellulär regulierten Kinasen 1 und 2 während der Infektion unterdrückte die COX-2 Expression sowie die PGE2 Bildung. Außerdem führte die Infektion zu einem COX-2 abhängigen Anstieg der Prostanoide 6-keto-Prostaglandin F1α und Thromboxan B2. Pneumokokken induzierten im Lungengewebe eine Reihe von Zytokinen, von denen der Plättchen-abgeleitete Wachstumsfaktor COX-2 abhängig reguliert war. Das hoch-pathogene aviäre H5N1 Virus sowie die saisonalen H1N1 und H3N2 Viren replizierten im Vergleich zum klassischen porzinen und niedrig- pathogenen aviären Virus sehr stark im Lungengewebe. Alle untersuchten Viren infizierten ausschließlich Typ II Pneumozyten und zu einem sehr geringen Anteil Alveolarmakrophagen. Die Infektion mit niedrig- und hoch-pathogenen aviären Viren führte zu einer teils starken Zytokinbildung, während die Infektion mit porzinen, humanen und pandemischen Viren nur eine schwache Induktion bewirkte. Die Infektion von Bronchialepithelzellen mit S. pneumoniae hatte die Expression von hBD-2 und 3 zur Folge. Die Induktion beider Defensine vermittelte der Toll-like-Rezeptor 2. Darüber hinaus verfügten hBD-2 und 3 über antimikrobielle Eigenschaften gegenüber S. pneumoniae. Weiterhin war die Bildung von hBD-2 abhängig von der Phosphoinositid-3-Kinase und dem Transkriptionsfaktor NF-κB. Die hBD-3 Bildung wurde über den c-Jun N-terminale Kinase - AP1 Signalweg reguliert. Die Verwendung von humanem Lungengewebe und die Etablierung beider Infektionsmodelle ermöglicht die Simulation wesentlicher Aspekte der Pneumonie im Menschen. Dadurch können in Zukunft wertvolle Beiträge zur Erforschung der bakteriellen und viralen Pneumonie gewonnen werden. Die Induktion von hBD-2 und 3 in Bronchialepithelzellen und deren antimikrobielle Aktivität implizieren ihre potenzielle Bedeutung in der angeborenen Immunantwort.

Pneumonia is one of the most common causes of death worldwide. In order to improve the understanding of the disease, both a streptococcal and an Influenza A virus infection model were developed using fresh and intact human lung tissue. Streptococcus pneumoniae (S. pneumoanie) and Influenza A viruses belong to the most important lung pathogens. The streptococcal infection model was established to study the regulation of cyclooxygenase (COX) and the induction of cytokines during lung inflammation, while the influenza infection model was developed to characterise different Influenza A viruses in relation to their replication, cellular tropism and ability to induce cytokines in human lung tissue. Additionally, the role of human ß-defensins (hBD) -2 and 3 was investigated during streptococcal infection of bronchial epithelial cells. S. pneumoniae efficiently replicated and induced expression of COX-2, but not COX-1 in human lung tissue. Immunohistochemical staining of lung tissue revealed COX-2 expression in alveolar macrophages, endothelial cells and type II, but not type I pneumocytes. The infection led to the release of prostaglandin E2 (PGE2) into the supernatant which was repressed when COX-2 was inhibited prior to infection. Inhibition of p38 mitogen activated kinase as well as extracellular regulated kinases 1 and 2 during infection prevented COX-2 expression and subsequent PGE2 formation. Moreover, the infection of lung tissue resulted in COX-2 dependant increase of prostanoids 6-keto- prostaglandin F1α and thromboxane B2. Among a variety of other cytokines, S. pneumoniae induced the release of platelet derived growth factor which was further augmented by inhibition of COX-2. The highly pathogenic avian H5N1 as well as the seasonal H1N1 and H3N2 influenza viruses replicated efficiently in human lung tissue when compared to the classic porcine and low pathogenic avian viruses, which replicated poorly. All viral strains investigated exclusively infected type II pneumocytes and also, to a much lesser extent, alveolar macrophages. The infection of lung tissue with low and highly pathogenic avian viruses resulted in strong cytokine induction, whereas infection with porcine, human and pandemic viruses only caused a weak cytokine induction. Infection of bronchial epithelial cells with S. pneumoniae induced the expression of hBD-2 and 3. The induction of both defensins was toll-like receptor-2 mediated. Additionally, hBD-2 and 3 showed antimicrobial activity towards S. pneumoniae. The formation of hBD-2 was dependant on the activity of phosphoinositide-3-kinase and the transcription factor NF-κB, whereas the synthesis of hBD-3 was controlled by the c-Jun N-terminal kinase - AP1 pathway. The successful establishment of both infection models using human lung tissue provides a useful tool to simulate pneumonia in humans, allowing valuable data about the interaction of these important lung pathogens with the human host to be gathered. The induction of hBD-2 and 3 in bronchial epithelial cells and their antimicrobial activity implies a potential importance to innate immunity