Impact of gram-negative bacteria on the allergic immune response in a mouse model of allergen-induced eczema

Abstract

Atopic eczema (AE) is a common skin disease characterized by a chronic inflammation of the skin. Its incidence is increasing worldwide and this development is associated with western life style factors. Thus, it is claimed that the improved hygiene, the increased use of antibiotics and a decreased rate of microbial contacts during early life may be relevant. Probiotics offer an opportunity to balance the intestinal microflora and can provide beneficial factors for the prevention and treatment of different pathological conditions. Currently no data is available whether the oral application of E. coli Nissle 1917 (EcN 1917) is preventive of AE. This project aimed to characterize the impact of non-pathogenic EcN 1917 on protein-induced eczema and to identify its immune modulating properties in mice. The presented data show that high dose supplementation of EcN 1917 (10(8) CFU/day) leads to a clinical improvement of allergen-induced dermatitis. In more detail not only a down- regulation of clinical symptoms was observed, but also a reduction of the epidermal thickness, a decrease of infiltrating immune cells and increased numbers of Foxp3+ cells were determined in the skin of EcN 1917 supplemented mice in comparison to a control group. At the systemic level, an induction of allergen-specific IgA in serum of EcN 1917 mice was detected. In addition, IL-4 and IFN-γ production of splenocytes was reduced along with an elevation of IL-10 and a tendency of increased TGF-ß after allergen-specific stimulation. The local cytokine detection of IL-10, IFN-γ and TNF-α in the skin by real-time qPCR showed no significant alteration in EcN 1917 supplemented mice. Taken together, these findings indicate that EcN 1917 ameliorated protein-induced eczema by an increase of Foxp3+ T cells, which may be responsible for the suppression of the clinical outcome. Further studies are required to confirm the exact role of Foxp3+ cells in the skin and to delineate the optimal preventive setting for EcN 1917 in AE.

Das atopische Ekzem (AE) ist eine verbreitete, chronisch entzündliche Hauterkrankung, deren stetig steigende Inzidenz auf westliche Lebensstilfaktoren zurückgeführt wird. Vor allem der verstärkte Einsatz von Antibiotika sowie der verminderte mikrobielle Kontakt im frühen Kindesalter werden dabei laut Hygienehypothese als begünstigend beschrieben. Probiotika stellen eine potenzielle Möglichkeit dar, die intestinale Mikroflora positiv zu beeinflussen und somit Prävention und Behandlung verschiedener Erkrankungen effektiv zu unterstützen. Allerdings sind hinsichtlich des AE derzeit keine Daten über die klinische Wirksamkeit des nicht-pathogenen Probiotikums E. coli Nissle 1917 (EcN 1917) verfügbar. Ziel dieses Projektes war die Untersuchung des klinischen Erscheinungsbildes der Allergen-induzierten Dermatitis sowie die Analyse der immunmodulatorischen Effekte nach präventiver EcN 1917-Supplementierung in Mäusen. Die erhobenen Daten zeigen dass die tägliche Supplementierung von 10(8) Kolonien bildende Einheiten EcN 1917 zu einer Verbesserung des klinischen Erscheinungsbildes der Allergen-induzierten Dermatitis führte. Die Verminderung der klinischen Symptome war auf histologischer Ebene mit einer reduzierten Epidermisdicke, verminderter Infiltration von Immunzellen sowie einer Erhöhung Foxp3-positiver T-Zellen assoziiert. Systemisch führte die EcN 1917-Supplementierung zu einer erhöhten IgA-Serumkonzentration sowie einer verminderten IL-4 und IFN-γ-Produktion in Allergen-stimulierten Milzzellen. Parallel wurden eine vermehrte Allergen- induzierte IL-10- sowie eine tendenziell gesteigerte TGF-ß-Produktion detektiert. Im Gegensatz dazu war die lokale Expression von IL 10, IFN-γ und TNF-α in der Haut durch die Verabreichung von EcN 1917 nicht beeinflusst. Zusammengefasst weisen diese Daten darauf hin, dass die Supplementierung mit EcN 1917 zu einer klinischen Verbesserung der Allergen-induzierten Dermatitis durch die Induktion von regulatorischen T-Zellen führt. Weitere Studien sind notwendig, um die exakte Rolle von regulatorischen T-Zellen in der Haut herauszuarbeiten und ein optimales präventives Behandlungsregime mit EcN 19617 im Rahmen der AE zu entwickeln.