Die Mikrobiota-vermittelte Modulation intestinaler und extra-intestinaler Immunzellpopulationen in sekundär abiotischen Mäusen und im murinen Campylobacter jejuni Infektionsmodell

Abstract

Es gibt überzeugende experimentelle und klinische Evidenz, die die Rolle der intestinalen Mikrobiota und der Antibiotika-induzierten Störungen ihrer Homöostase hervorhebt und mit zahlreichen physiologischen und pathologischen Prozessen in Verbindung bringt. Die spezifische Zusammensetzung der Darmmikrobiota ist außerdem wichtig für die Bestimmung von Kolonisationsresistenz vs. Suszeptibilität des Wirtes gegenüber enteropathogenen Bakterien, wie beispielsweise Campylobacter jejuni. Infektionen mit C. jejuni nehmen weltweit zu und bedürfen der Entwicklung neuartiger, u.a. Antibiotika-unabhängiger, Mikrobiota/Probiotika-vermittelter Therapiestrategien. Das Ziel der in dieser Arbeit zusammengefassten Untersuchungen war es, die komplizierte Interaktion zwischen dem murinen Immunsystem, der Darmmikrobiota und pathogenen Bakterien näher zu eruieren. Zu diesem Zweck wurden konventionelle C57BL/6j Mäuse einer Breitband-Antibiose für einen Zeitraum von 8 Wochen unterzogen, womit die Eradikation der Mikrobiota erreicht wurde. Ihre Wiederherstellung wurde mittels fäkaler Mikrobiota-Transplantation (FMT) durchgeführt. Die FMT führte zur Normalisierung der durch die antibiotische Behandlung reduzierten Zellzahl der CD4+ und CD8+ Lymphozyten im Dünndarm und CD4+ Lymphozyten im Kolon, während die CD8+ Lymphozyten des Dickdarms auch nach FMT erniedrigt blieben. Antibiotisch behandelte Mäuse wiesen außerdem eine geringere Produktion von IFN-γ im Dünn- und Dickdarm, sowie von IL-17, IL-22 und IL-10 im Dünn- und Dickdarm, in den mesenterialen Lymphknoten und in der Milz. Diesen Effekten konnte dennoch mittels FMT vollständig entgegengetreten werden. Im Anschluss wurde das Probiotikum VSL#3 (bestehend aus Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium infantis, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus paracasei und Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus) auf seine immunomodulatorischen Eigenschaften nach antibiotischer Therapie hin untersucht. Hier sahen wir, dass VSL#3 v.a. anti-inflammatorische Immunzellpopulationen induzierte (CD4+CD25+ sowie CD4+IL-10+ Zellen), ohne einen Einfluss auf die Expression von IFN-γ, IL-17 und IL-22 zu haben. Diese anti-inflammatorischen Eigenschaften kamen dann auch im murinen C. jejuni Infektionsmodell zur Geltung. So führte eine prophylaktische sowie therapeutische Gabe von VSL#3 bei mit C. jejuni infizierten Mäusen zu einer geringeren epithelialen Apoptoserate, und einem verminderten Einstrom zahlreicher Immunzellenpopulationen (T- und B-Lymphozyten, regulatorischen T Zellen und Makrophagen/Monozyten) in die Kolonmukosa. Durch die prophylaktische Gabe von VSL#3 war außerdem die Produktion von IL-10 im Kolon erhöht, die MCP-1- und IL-6-Konzentrationen hingegen erniedrigt. Ebenfalls niedriger war unter diesen Bedingungen die TNF Produktion in der Milz. Zusammenfassend konnten wir die erheblichen immunologischen Auswirkungen der kommensalen Mikrobiota und Probiotika und die vorteilhafte Verwendung letzterer als therapeutische oder prophylaktische Strategie im Kontext von Infektion und Entzündung zeigen.

Compelling experimental and clinical evidence highlights the outstanding role of the microbiota in host physiology and links its antibiotics induced perturbations with various pathologies. Moreover, the host specific microbiota composition is one of the most important determinants regarding colonization resistance against vs. susceptibility to enteropathogenic bacteria, such as Campylobacter jejuni. The incidence of C. jejuni infections is progressively increasing worldwide and requires the development of novel, antibiotics independent intervention strategies. In the present work, results of three separate in vivo studies addressing the interactions between host immunity, intestinal microbiota and pathogens have been summarized. Conventionally colonized C57BL/6j mice were subjected to broad-spectrum antibiotic treatment to virtually deplete the intestinal microbiota. Subsequently, fecal microbiota transplantation (FMT) was carried out perorally via gavage. FMT led to reestablishment of small intestinal CD4+ and CD8+ as well as colonic CD4+ cell numbers. Furthermore, CD4+ lymphocytes of with antibiotics treated mice revealed reduced expressions of IFN-γ in the small and large intestines, as well as of IL-17, IL-22 and IL-10 in all analyzed lymphoid compartments, including the small and large intestinal lamina propria, mesenteric lymph nodes and spleen. These effects were, however, completely restored upon FMT. Subsequently, we analyzed the immunomodulatory properties of the probiotic compound VSL#3 (consisting of Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium infantis, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus paracasei, and Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus) following antibiotic treatment. We could observe that VSL#3 induced mainly regulatory, anti-inflammatory immune responses (CD4+CD25+, as well as CD4+IL10+ cells) without impacting pro-inflammatory cytokines like IFN-γ, IL-17 and IL-22. These anti- inflammatory properties of VSL#3 seemed to play a role in the limitation of intestinal and extra-intestinal sequelae of C. jejuni infection in vivo. For instance, prophylactic as well as therapeutic VSL#3 treatment of C. jejuni infected mice resulted in decreased epithelial apoptosis and attenuated influx of immune cells (T- and B lymphocytes, regulatory T cells and Macrophages/Monocytes) into the colonic mucosa. In prophylactically treated mice, higher levels of colonic IL-10, lower levels of colonic MCP-1 and IL-6, as well as lower levels of splenic TNF could be observed. Taken together, both FMT and VSL#3 recolonization display extensive impacts on mucosal, peripheral and systemic immunity, while VSL#3 induces mainly anti-inflammatory immune responses. This latter property might open up for valuable therapeutic strategies directed against inflammatory and infectious diseases, including C. jejuni infections and its sequelae.