Role and potential therapeutic use of interleukin-22+ innate lymphoid cells in colitis

Abstract

Innate lymphoid cells (ILC) are a family of tissue-resident immune cells, particularly enriched at mucosal sites. Among ILCs, IL-22-producing RORγt+ Innate Lymphoid cells (ILC3) preferentially reside in the intestine, where they perform important functions for epithelial barrier integrity and tissue homeostasis. These functions are mainly mediated through their signature cytokine IL-22. Despite these beneficial features, their role in the pathogenesis of intestinal inflammation has been controversially discussed. Murine and human studies have provided evidence that RORγt+ ILC3 can play a pro-inflammatory role in the context of colitis. Elucidating the biologic conditions and environmental factors that potentially direct RORγt+ ILC3 to either function could lead to a better understanding of their contribution to disease development and ultimately to a potential therapeutic intervention. Previous work by our group demonstrated that triggering the activating receptor NKp44 in RORγt+ ILC3 with an anti-NKp44 monoclonal antibody results in a coordinated pro-inflammatory program. The observed responses included the production of TNF, which plays a pathological role in Inflammatory Bowel Diseases (IBD). In contrast, stimulation with cytokines preferentially induces IL-22, which has important regenerative functions on the epithelium. Building on these previous findings, we aimed - to investigate the distribution of RORγt+ ILC3 subsets (NKp44+ / NKp44-) in the inflamed and non-inflamed intestinal lamina propria of IBD patients by Flow Cytometry; and - to evaluate potential ligands of NKp44 leading to activation of RORγt+ ILC3. The central finding was a significant decrease of NKp44 expression in RORγt+ ILC3 exclusively in the inflamed lamina propria of IBD patients. Whether this finding is due to downregulation of NKp44 and/or a different activation status, promotion of the NKp44- ILC3 subset or plasticity between ILC subsets remains subject to further investigation. Furthermore, several cell lines were identified to express NKp44 ligands on their cell surface, and among these some were of colon epithelial origin. By analyzing physiologic engagement of the NKp44 receptor, NKp44 ligand-expressing cell lines led to the production of TNF in human RORγt+ ILC3. These findings taken together with previous results of our work group, suggest a dual nature of RORγt+ ILC3 depending on the environmental context. NKp44 might represent a therapeutic target to modulate pro-inflammatory versus protective features of RORγt+ ILC3 in IBD.

Innate Lymphoid Cells (ILC) sind eine Gruppe von ortsständigen Immunzellen des angeborenen Abwehrsystems, welche insbesondere in der Mukosa verschiedener Organe zu finden sind. Unter den ILCs sind IL-22-produzierende RORγt+ ILC3 vornehmlich im Darm ansässig, wo sie wichtige Funktionen für die Integrität der epithelialen Barriere sowie der Gewebshomöostase erfüllen. Diese werden hauptsächlich durch ihr Signatur-Zytokin IL-22 vermittelt. Trotz dieser protektiven Eigenschaften wird ihre Rolle in der Pathogenese intestinaler Entzündung kontrovers diskutiert. Murine wie auch humane Studien haben Hinweise ergeben, dass RORγt+ ILC3 eine proinflammatorische Rolle im Kontext von entzündlichen Darmerkrankungen einnehmen können. Ein besseres Verständnis der biologischen Mechanismen sowie der Umgebungsfaktoren, die RORγt+ ILC3 möglicherweise zu der einen oder der anderen Funktion leiten, scheint wesentlich, um ihre Rolle in der Krankheitsentstehung aufzuklären. Dies könnte schließlich zu einer therapeutischen Intervention führen. Vorangehende Forschungsergebnisse meiner Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass die Stimulation des aktivierenden Rezeptors NKp44 in RORγt+ ILC3 zu einem koordinierten pro-inflammatorischen Programm führt. Hierbei wurde unter anderem die Produktion von TNF beobachtet, welches eine pathologische Rolle bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) spielt. Im Gegensatz dazu induziert die Stimulation mit Zytokinen bevorzugt das Zytokin IL-22, welches wichtige regenerative Funktionen für das Epithel vermittelt. Aufbauend auf diese bisherigen Erkenntnisse war das Ziel dieser Arbeit - die Verteilung von RORγt+ ILC3 Subgruppen (NKp44+/NKp44-) in der entzündeten und nicht-endzündeten intestinalen Lamina propria von CED-Patienten mittels Durchflusszytometrie zu untersuchen - sowie potentielle Liganden des Rezeptors NKp44, welche zur Aktivierung von RORγt+ ILC3 führen, zu evaluieren. Die wesentliche Erkenntnis hierbei war eine signifikant niedrigere NKp44-Expression in RORγt+ ILC3, die aus der entzündeten Lamina propria von CED-Patienten stammten. Ob dieser Befund auf eine Herabregulierung von NKp44 und/oder einen anderen Aktivierungsstatus der Zellen, auf die Förderung der NKp44- ILC3-Subpopulation oder auf Plastizität zwischen ILC-Subpopulationen zurückzuführen ist, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen. Zudem wurden mehrere Zelllinien identifiziert, darunter einige kolon-epithelialem Ursprungs, welche NKp44 Liganden auf ihrer Zelloberfläche exprimieren. In der Analyse einer physiologischen Rezeptoraktivierung von NKp44 führten NKp44 Liganden exprimierende Zelllinien zur Produktion von TNF in humanen RORγt+ ILC3. Diese Befunde, zusammen mit den früheren Ergebnissen meiner Arbeitsgruppe, deuten auf eine mögliche zweischneidige Rolle von RORγt+ ILC3 hin, die von umgebenden Faktoren abhängt. NKp44 könnte ein therapeutisches Ziel darstellen, um proinflammatorische bzw. protektive Eigenschaften von RORγt+ ILC3 in CED zu modulieren.