Regulation der mukosalen Immunität durch eosinophile Granulozyten und die intestinale Mikroflora

Abstract

Neuere Arbeiten weisen darauf hin, dass eosinophile Granulozyten eine wichtige Rolle im Aufbau und der Funktion der Immunkompartimente des Darmes haben. Über das komplexe Zusammenspiel von Eosinophilen, der Mikroflora des Darmes, den IgA Antikörpern und den Immunzellen ist aber bisher nur sehr wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Beitrag der eosinophilen zu der gegenseitigen Regulierung von Immunsystem und Darmflora untersucht werden. Ein Vergleich der eosinophil-defizienten Mausstämmen ΔdblGATA-1 und PHIL mit Wildtyptieren zeigte zahlreiche Veränderungen im Immunsystem des Darms. Diese Arbeit konnte zeigen, dass Eosinophilen aber nur indirekt für diese Unterschiede verantwortlich sind, da sich durch die Vergesellschaftung von eosinophil- defizienten und Wildtyptieren und somit der Angleichung der Mikroflora die meisten der Unterschiede beheben ließen. Vor allem die Generierung von IgA+ B-Zellen in den Peyer Plaques sowie die Populationen von T-Lymphozyten sowohl in den Peyer Plaques, als auch in der Lamina propria und intraepitheliale Schicht wurden durch die Vergesellschaftung wiederhergestellt. Dies bestätigt die primäre Rolle der Mikroflora bei den beobachteten Veränderungen. Frühere Studien zeigen, dass eosinophile Granulozyten eine wichtige Rolle für das Überleben der IgA+ Plasmazellen in der Lamina propria und im Knochenmark haben. In Abwesenheit der Eosinophilen fällt der IgA-Spiegel im Darm und dies wirkt sich dann auf die Darmflora aus. Veränderungen im Mikrobiom sollten zu einer unterschiedlichen Aktivierung und Funktion der Immunzellen führen. Dies würde die veränderte Zytokinexpression der TFH-Zellen in den Peyer Plaques der eosinophil-defizienten Tiere bewirken und wäre somit eine Erklärung für den präferentiellen Klassenwechsel nach IgG1 in der Abwesenheit von Eosinophilen. Wie schon früher gezeigt wurde, sind Peyer Plaques der eosinophil-defizienten Mausstämme ΔdblGATA-1 und PHIL deutlich kleiner als in den entsprechenden Wildtyptieren, weisen aber eine normale Entwicklung der T und B-Zell Follikel auf und auch die Keimzentrumsstrukturen scheint unverändert zu sein. Bereits während der pränatalen Entwicklung des Organismus, also zu einem Zeitpunkt, wenn die lymphatischen Strukturen noch nicht ausgebildet sind, besiedeln eosinophile Granulozyten den Dünndarm in sehr großen Zahlen. Der Gedanke, dass Eosinophilen eine Rolle bei der Ausbildung der Immunstrukturen im Darm eine Rolle spielen könnten ist daher naheliegend. Eine Kinetik zur Entwicklung der Peyer Plaques zeigte aber, dass der PP-Größenunterschied erst ab dem Alter von vier Wochen messbar wurde, wenn der Darm durch Mikroflora kolonisiert und IgA- Produktion induziert wurde. Darüber hinaus war die PP-Größe auch in PHIL- Mäusen, die von Wildtyp-Müttern geboren wurden und mit Wildtyp- Wurfgeschwistern zusammen aufgewachsen sind, beeinträchtigt. Es spricht dafür, dass diese Entwicklungsstörung direkt auf das Fehlen von Eosinophilen zurückzuführen ist. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um zu zeigen, ob es einen direkten Einfluss der Eosinophilen auf die für die PP-Entwicklung wichtigen LTo-Zellen gibt. Veränderungen in der Stromazell-Retikulum könnten ein Hinweis für veränderte Interaktion zwischen den LTi- und den LTo-Zellen auftreten und somit für gestörte Entwicklung von Peyer Plaques der eosinophil- defizienten Mäuse. Diese Arbeit bestätigt die entscheidende Rolle der Darmmikroflora für die reguläre Entwicklung und die Funktion der Immunstrukturen im Darm. Sie zeigt aber auch wie wichtig Eosinophile in diesem Prozess sind. Sie werden benötigt, um das Gleichgewicht zwischen dem Mikrobiom und dem Immunsystem aufrecht zu halten. In der Abwesenheit von Eosinophilen verändert sich die Mikroflora dahingehend, dass die normale Funktion der Peyer Plaques, die Bildung von IgA+ Plasmazellen, deutlich vermindert ist. Da eosinophile Granulozyten auch für das Überleben der Plasmazellen benötigt werden, kommt es zu einer starken Reduzierung des IgA-Spiegels, was sich auf die Mikroflora auswirkt. Mit diesen Experimenten konnte ein Kreislauf von gegenseitigen Wechselwirkungen aufgezeigt werden, der für die Homöostase des Immunsystems ausschlaggebend ist und verhindert, dass es zu ungewollten Entzündungsprozessen im Darmtrakt kommt.

Recent studies suggest the important role of eosinophils in the organization and function of gut immunity. However, little is known about the complex interactions between eosinophils, microbiota, IgA antibodies and other immune cells in the gut. The aim of this work was to dissect the contribution of eosinophils to the mutual regulation of immune system and microbiota. Numerous alterations in the gut immune cell composition were previously reported in the eosinophil-deficient mouse strains, ΔdblGATA-1 and PHIL, when compared with the corresponding wild type animals. This work showed that eosinophils are responsible for the differences in cell populations indirectly, since the co- housing of eosinophil-deficient and wild type mice and subsequent equilibration of intestinal microbiota restored most of the parameters. Especially the generation of IgA+ B cells in peyer’s patches as well as T cell populations in both peyer’s patches, lamina propria and intraepithelial layer of eosinophil-deficient mice were restored after cohousing. This confirms the primary role of microbiota for observed alterations. Recent studies show the crucial contribution of eosinophils to the survival of plasma cells in lamina propria and bone marrow. In lamina propria the level of intestinal IgA sinks in the absence of eosinophils and affects thereby the microbiota. The microbiota changes may induce the different activation and function of the gut immune cells. This would cause the altered cytokine expression of the TFH cells in the peyer’s patches of eosinophil-deficient mice and could be therefore an explanation for the preferential class switch to IgG1 in the absence of eosinophils. As recently shown, peyer’s patches of the eosinophil- deficient mouse strains, ΔdblGATA-1 and PHIL, are clearly smaller than in the corresponding wild type, but PPs exhibit a normal development of the T and B cell zones and the formation of the germinal centres seems to be not affected. The eosinophils colonise the small intestine in large numbers during the prenatal development of the gut already, when the lymphatic structures are not formed. Therefore, it is plausible that the eosinophils may contribute to the development of PPs. Analysis of kinetic of PP development revealed that difference in the size was evident starting from four weeks after birth, when murine gut get colonized with microbiota and IgA is induced. Moreover, the peyer’s patches size is affected in the PHIL mice too, which were born form the wild type mothers and are grown up with their littermates together. It argues that this disruption can be explained by the direct effect of eosinophils absence. Further investigations are required to show, whether there is a direct effect of eosinophils on the LTo stromal cells, which are important for the peyer’s patches development. The changes in the stromal cell reticulum could be an indication for altered interaction between LTi and LTo cells in therefore for disturbed development of the peyer’s patches of eosinophil-deficient mice. This work confirms the fundamental role of gut microbiota for the regular development and function of the gut immune structures. However, it shows the importance of the eosinophils in this process too. The eosinophils are required for keeping the balance between the microbiota and the gut immune system. In the absence of eosinophils the changes of microbiota lead to reduction of the normal peyer’s patches function, the generation of IgA+ cells. Since eosinophils are required for the plasma cell survival as well, it all resulted in reduced IgA levels and may potentially modify microbiota composition. These results suggest circle of reciprocal interactions, which are crucial for the gut immunity homeostasis and inhibits the unwanted inflammatory processes in the intestinal tract.