Functional role of IL-37 in the innate immune response and tight junction composition of the gut epithelium using IL-37tg mouse organoids

Abstract

The imbalance of the innate epithelial immune response and the disruption of the intestinal epithelial barrier are significant triggers and drivers of inflammatory bowel diseases (IBD). In IBD, counterbalancing anti-inflammatory mechanisms within the intestinal epithelium are insufficient and pro-inflammatory cytokines alter the expression of tight junction (TJ) proteins resulting in an impaired barrier function. Interleukin (IL)-37 has been shown to limit innate and adaptive immune responses i. e. by suppressing pro-inflammatory cytokine secretion from macrophages and dendritic cells. IL-37 transgenic (tg) mice were shown to be protected against excessive intestinal inflammation and intestinal epithelial barrier disruption during experimental colitis. Here we tested whether transgene IL-37 (tgIL-37) expression limits the inflammatory response of the intestinal epithelium and protects intestinal epithelial integrity. We generated jejunal, ileal and colonic intestinal organoids from IL-37tg and wildtype (wt) mice to investigate potential inducers of the innate epithelial immune response. The impact of tgIL-37 expression on the innate immune response in jejunal and colonic organoids was evaluated by assessing the mRNA expression of Cxcl1, Cxcl2, Ccl20 and TNF-α before and after immune stimulation with TNF-α and LPS. The inflammation-induced modulation of epithelial barrier integrity was assessed by measuring claudin-2, occludin, and ZO-1 mRNA and protein expression. Furthermore, the spatial distribution of barrier proteins was analyzed by immunofluorescence staining. The strongest innate immune response was induced by TNF-α in jejunal organoids and by LPS in colonic organoids. There was no significant difference in cytokine expression between WT and IL-37tg organoids after stimulation. TNF-α and LPS significantly downregulated mRNA expression of TJ proteins in jejunal and colonic organoids. Furthermore, TNF-α downregulated TJ protein expression and altered spatial TJ protein expression in jejunal organoids. No significant differences were observed in TJ protein expression and localization between WT and IL-37tg organoids before and after stimulation. We conclude that epithelial-derived tgIL-37 has no significant, autologous influence on immune response and TJ protein expression of murine jejunal and colonic organoids. Therefore, we hypothesize that IL-37 released from gut epithelia is more likely to modulate the pro-inflammatory activity of the lamina propria immune cells in conjunction with hematopoietic IL-37 to protect the integrity of the intestinal epithelium in IBD.

Eine Dysbalance der epithelialen Immunantwort und die Störung der intestinalen Epithelbarriere tragen wesentlich zur Pathogenese chronisch entzündlicher Darmerkrankungen (CED) bei. Dabei sind ausgleichende entzündungshemmende Mechanismen der angeborenen epithelialen Immunantwort reduziert, während proinflammatorische Zytokine die Expression von Tight-Junction (TJ)-Proteinen modulieren. IL-37 ist ein anti-inflammatorisches Protein, welches die Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine von Makrophagen und dendritischen Zellen reduziert. Darüber hinaus sind IL- 37-transgene (tg) Mäuse vor übermäßiger Darmentzündung und einer Zerstörung der Darmepithelbarriere im Rahmen einer experimentellen Colitis geschützt. Wir untersuchten, ob die Überexpression von IL-37 im Darmepithel die angeborene Immunantwort unterdrückt und die Integrität des Darmepithels schützt. Zunächst generierten wir Jejunum-, Ileum- und Kolon-Organoide von IL-37tg- und Wildtyp (wt)- Mäusen, um potenzielle Auslöser der angeborenen epithelialen Immunantwort zu untersuchen. Der Einfluss des IL-37-Transgens auf die Immunantwort in Jejunum- und Kolon-Organoiden wurde durch die Messung der mRNA-Expression von Cxcl-1, Cxcl-2, Ccl-20 und TNF-α vor und nach Immunstimulation mit TNF-α und LPS untersucht. Eine durch Entzündung bedingte Modulation der Barriere-Integrität des Epithels wurde durch die Analyse der mRNA- und Proteinexpression von Occludin, ZO-1 und Claudin-2 bewertet. Darüber hinaus wurde die räumliche Verteilung von TJ-Proteinen mittels Immunfluoreszenzfärbungen analysiert. Die stärkste Immunantwort wurde durch TNF-α in Jejunum-Organoiden und durch LPS in Kolon-Organoiden ausgelöst. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Zytokinexpression zwischen WT- und IL-37tg-Organoiden nach der Immunstimulation. TNF-α und LPS verminderten signifikant die mRNA-Expression mehrerer TJ-Proteine in Jejunum- und Kolon-Organoiden. Darüber hinaus reduzierte TNF-α die Proteinexpression von TJ-Proteinen in Jejumum-Organoiden und veränderte deren räumliche Verteilung. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Expression und Lokalisation von TJ-Proteinen zwischen WT- und IL-37tg-Organoiden vor und nach der Stimulation beobachtet. Wir kommen zu dem Schluss, dass epitheliales tgIL-37 keine signifikante autologe Wirkung auf die Immunantwort und die Expression von TJ-Proteinen in Jejunum- und Kolon-Organoiden der Maus hat. Wir vermuten hingegen, dass aus dem Darmepithel freigesetztes IL-37 zusammen mit IL-37 hämatopoetischen Ursprungs eine modulierende Wirkung auf die pro-inflammatorische Aktivität der Immunzellen in der Lamina propria ausübt, und dadurch die Integrität des Darmepithels bei CED schützt.