Human beta defensin 3 induction in gastric epithelial cells under Helicobacter pylori infection and cytokine dependent modulation

Abstract

Helicobacter pylori is a human gastric pathogen, chronically infecting about half of world’s population causing the development of peptic ulcer disease and gastric cancer. Many facets of the initiated immune response following H. pylori infection remain elusive. In recent years it has been shown that epithelial cells are capable of actively counteracting H. pylori by the secretion of human beta defensin 3 (hBD-3). Yet, knowledge of inducing mechanisms and the regulation of hBD-3 in gastric epithelial cells remains fragmentary. Aims of the present study were to expand knowledge about the induction of hBD-3 in gastric epithelial cell lines following infection with H. pylori, to test other stimulants leading to hBD-3 expression and to examine the modulation of hBD-3 induction by the adaptive immune response. For this purpose various gastric cancer cell lines were tested for hBD-3 induction in combination with different bacterial preparations and/or addition of several recombinant cytokines. Furthermore, the influence of the adaptive immunity on hBD-3 expression of epithelial cells was examined by the stimulation of epithelial cells with supernatants of a co-cultivation system of activated dendritic cells (DC) with T-cells. Induction was monitored by western blot and ELISA. Here, it could be demonstrated that an effective induction of hBD-3 in gastric epithelial cells is dependent on bacterial viability and the level of induction is regulated according to the number of infecting bacteria. Stimulation of gastric epithelial cells with pro-inflammatory cytokines alone was shown to be insufficient in inducing hBD-3. Yet, when infection with viable bacteria was combined with Interferon-γ (IFN-γ), production of hBD-3 was strongly reinforced. In addition, this combinatorial treatment enhanced cell death. When testing the ability of the adaptive immunity to modulate hBD-3 induction in epithelial cells, it could be shown that supernatants of DC/T-cells activated via E. coli LPS induced hBD-3. In contrast to that H. pylori-activated DC/T-cells rather showed an inhibiting effect on hBD-3 induction. Alltogether, the present study provides an insight into the immune reaction of gastric epithelial cells and demonstrates that hBD-3 induction is mediated by viable bacteria and implicates a modulation by the adaptive immune response. Simultaneously, this modulation seems to be inhibited by H. pylori which could represent a novel immune evasion mechanism of H. pylori by suppressing an effective innate immune response. The enhanced cell death dependent on IFN-γ treatment further implies that this cytokine is an important factor for pathogenesis of H. pylori-related gastric injury.

Helicobacter pylori ist ein im Magen des Menschen vorkommender Krankheitserreger, mit dem 50% der Weltbevölkerung chronisch infiziert sind und der mit der Entwicklung peptischer Ulcera und von Magenkrebs assoziiert ist. Bisher sind die Abläufe der Immunantwort auf eine Infektion mit H. pylori nicht vollständig verstanden. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass gastrische Epithelzellen über die Sekretion von humanem beta Defensin 3 (hBD-3) aktiv an der Bekämpfung der Infektion mit H. pylori beteiligt sind. Die Induktionsmechanismen dieses Defensins in gastrischen Epithelzellen sind jedoch nicht vollständig geklärt. Die vorliegende Studie hatte zum Ziel diese Mechanismen zu analysieren. Hierfür wurden neben H. pylori auch weitere bekannte Stimuli eingesetzt, um ihre Kapazität hBD-3 zu induzieren bzw. die hBD-3 Expression zu modulieren genauer betrachten zu können. Dafür wurde ein Modell gewählt, bei dem gastrische Krebszelllinien infiziert wurden sowie verschiedene bakterielle Stimuli und rekombinante Zytokine appliziert wurden um die Auswirkung auf die Induktion von hBD-3 zu messen. Der Einfluss der adaptiven Immunität auf die hBD-3 Produktion in Epithelzellen wurde anhand der Behandlung gastrischer Epithelzellen mit den Überständen eines Co-Kultur Modelles von aktivierten dendritischen Zellen (DC) mit autologen T-Zellen getestet. hBD-3 wurde mittels Western blot und ELISA detektiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Induktion von hBD-3 in gastrischen Epithelzellen von der Viabilität der Bakterien abhängig ist und nach der Menge der Bakterien reguliert wird. Eine Behandlung mit rekombinanten Zytokinen alleine führte zu keiner Induktion. Die Stimulation der Zellen mit Interferon-γ (IFN-γ) während einer Infektion führte jedoch zu einer deutlich verstärkten Produktion von hBD-3 und gleichzeitig zu vermehrtem Zelltod. Die Untersuchung des Einflusses der adaptiven auf die angeborene Immunität zeigte, dass E. coli LPS aktivierte DC/T-Zellen hBD-3 Expression induzieren während die Aktivierung mit H. pylori zu einem inhibierenden Effekt führte. Die vorliegende Arbeit erlaubt einen Einblick in die angeborene Immunität gastrischer Epithelzellen und konnte zeigen, dass die Induktion von hBD-3 durch die adaptive Immunantwort moduliert werden kann, wobei IFN-γ ein wichtiges Signalmolekül darstellt. Gleichzeitig scheint H. pylori diese Modulation zu inhibieren, was auf eine neue Strategie der pathogen-vermittelten Unterdrückung einer effektiven Immunantwort hindeutet. Der durch IFN-γ hervorgerufene vermehrte Zelltod in infizierten Zellen impliziert eine wichtige Rolle dieses Zytokins bei der Pathogenese gastrischer Läsionen unter Infektion mit H. pylori.