Cellular analysis of susceptibility and resistance to a roundworm infection in the mouse model

Abstract

Helminths contribute a large proportion of the global burden of disease. Mainly by causing gastrointestinal infections of varying intensity in humans and animals. We asked whether commensal bacteria in the host gut can modulate the immune response against the gastrointestinal helminths, whether depletion of the microbiota with antibiotics would affect anthelmintic type 2 immune responses in the rodent model of hookworm infections. Our results showed that antibiotic treatment resulted in microbiota depletion, but neither worm burden nor female egg production was affected. Upon secondary infection with H. polygyrus, worm burdens increased in antibiotic-treated mice, suggesting that a lack of microbiota had created a supportive environment for the worms to establish themselves. Immune responses were not affected by microbiota depletion. Similar type 2 cytokines and Th2 cell frequencies were found during primary infection, during the memory phase, and after challenge infection. Interestingly, tissue-resident memory cells expressing CD69 found in the peritoneal cavity were significantly enriched during secondary infection, suggesting that the peritoneum is a strong reservoir for memory cells. Antibody responses similar to cellular responses did not change in the presence or absence of microbiota. The only increase in antibody isotype IgE was associated with the memory phase of the response, suggesting a possible enhancement of IgE responses due to the lack of bacteria coupled with the accumulation of allergens from the worm. The host and worm metabolic changes analyzed using NADPH fluorescence lifespan imaging also showed no significant changes in the presence or absence of microbiota. Overall, type 2 immune responses against a gastrointestinal nematode as well as metabolic changes of hosts and nematodes are robust and no effect of the presence or absence of microbiota was shown by prolonged antibiotic treatment.

On the other hand, this work investigated the different intensity of infection of gastrointestinal helminths in natural hosts by analyzing the hepato-tracheal migration of Ascaris suum in two different mouse strains. A susceptible C57BL/6 mouse and a resistant CBA mouse. We asked whether the tendency of individuals to be more or less susceptible is related to different innate immune responses elicited during tissue migration. Interestingly, contrary to our expectations, we found that the susceptible strain had high levels of inflammation, while the resistant strain had no inflammation at all. The inflammation caused by the susceptible strain was associated with the expression of type 2 cytokines, namely IL-5 and IL-13, by innate lymphoid cells, which subsequently responded to the recruitment of eosinophils and alternative (M2) macrophages to the mice lungs followed. Eosinophil-depleted mice were subsequently examined. The results showed that the presence of eosinophils was not related to protection, as reflected in similar larval burdens between eosinophil-deficient and eosinophil-sufficient mice. Because we detected high levels of eosinophil peroxidase in the serum of susceptible mice at the lung stage of infection, these cells may be more affected by the pathology. In conclusion, these works showed that a strong type 2 immune response is associated with susceptibility, while the resistance associated with CBA mice requires further investigation since no immunological parameter analyzed indicates an increased susceptibility to the infection.

Helminthen tragen einen großen Teil zur weltweiten Krankheitslast bei. Hauptsächlich dadurch, dass sie bei Menschen und Tieren Magen-Darm-Infektionen unterschiedlicher Intensität hervorrufen. Wir fragten, ob kommensale Bakterien im Darm des Wirts die Immunantwort gegen die Magen-Darm-Helminthen modulieren können, ob eine Depletion der Mikrobiota mit Antibiotika die anthelminthen Typ-2-Immunantworten im Nagetiermodell von Hakenwurminfektionen beeinflussen würde. Unsere Ergebnisse zeigten, dass eine Antibiotikabehandlung zur Depletion der Mikrobiota führte, aber weder die Wurmlast noch die weibliche Eiproduktion beeinträchtigt wurden. Bei einer Sekundärinfektion mit H. polygyrus stieg die Wurmbelastung bei Antibiotika behandelten Mäusen an, was darauf hindeutet, dass ein Mangel an Mikrobiota eine unterstützende Umgebung für die Etablierung der Würmer geschaffen hatte. Die Immunantworten wurden nicht durch die Mikrobiota Depletion beeinträchtigt. Ähnliche Typ-2-Zytokine und Häufigkeiten von Th2-Zellen wurden bei der Primärinfektion, während der Gedächtnisphase und nach einer Provokationsinfektion gefunden. Interessanterweise wurden in der Bauchhöhle gefundene geweberesidente Gedächtniszellen, die CD69 exprimieren, während der Sekundärinfektion deutlich angereichert, was darauf hindeutet, dass das Peritoneum ein starkes Reservoir für Gedächtniszellen ist. Die den zellulären Reaktionen ähnlichen Antikörperreaktionen veränderten sich in Gegenwart oder Abwesenheit von Mikrobiota nicht. Der einzige Anstieg des Antikörper-Isotyps IgE war mit der Gedächtnisphase der Reaktion verbunden, was auf eine mögliche Verstärkung der IgE-Reaktionen aufgrund des Mangels an Bakterien bei gleichzeitiger Anhäufung von Allergenen aus dem Wurm schließen lässt. Die metabolischen Veränderungen des Wirts und des Wurms, die mittels NADPH-Fluorenz- Lebensdauerbildgebung analysiert wurden, zeigten ebenfalls keine signifikanten Veränderungen in der Anwesenheit oder Abwesenheit von Mikrobiota. Alles in allem sind Typ- 2-Immunantworten gegen einen Magen-Darm-Nematoden sowie metabolische Veränderungen von Wirten und Nematoden robust und es zeigte sich keine Auswirkung der Anwesenheit oder Abwesenheit von Mikrobiota, durch eine längere Antibiotikabehandlung.

Andererseits wurde in dieser Arbeit die unterschiedliche Intensität der Infektion von Magen- Darm-Helminthen in natürlichen Wirten untersucht, indem die hepato-tracheale Migration von Ascaris suum in zwei verschiedenen Mausstämmen analysiert wurde. Eine anfällige C57BL/6- Maus und eine resistente CBA-Maus. Wir fragten, ob die Tendenz von Individuen, mehr oder weniger empfänglich zu sein, mit unterschiedlichen angeborenen Immunreaktionen zusammenhängt, die während der Gewebemigration hervorgerufen werden. Interessanterweise stellten wir entgegen unseren Erwartungen fest, dass der anfällige Stamm ein hohes Ausmaß an Entzündungen aufwies, während der resistente Stamm überhaupt keine Entzündung aufwies. Die durch den anfälligen Stamm verursachte Entzündung war mit der Expression von Typ-2-Zytokinen, nämlich IL-5 und IL-13, durch angeborene lymphatische Zellen verbunden, die anschließend auf die Rekrutierung von Eosinophilen und alternativen (M2) Makrophagen in die Lunge anfälliger Mäuse folgten. Nachfolgend wurden Eosinophil- depletierte Mäuse untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vorhandensein von Eosinophilen nicht mit dem Schutz zusammenhängt, was sich in ähnlichen Larvenbelastungen zwischen Mäusen mit Eosinophilen-Mangel und ausreichend Eosinophilen widerspiegelt. Da wir im Serum empfänglicher Mäuse im Lungenstadium der Infektion hohe Werte der Eosinophilen-Peroxidase feststellten, sind diese Zellen möglicherweise stärker von der Pathologie betroffen. Zusammenfassend zeigten diese Arbeiten, dass eine starke Typ-2- Immunantwort mit einer Anfälligkeit verbunden ist, während die mit CBA-Mäusen verbundene Resistenz weitere Untersuchungen erfordert, da kein analysierter immunologischer Parameter auf eine erhöhte Empfänglichkeit der Infektion hinweist.