Die differenzielle Rolle von Makrophagen und Mikroglia im Kontext der murinen Kryptokokkose

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die durch den opportunistischen Pilz Cryptococcus neoformans verursachte Krankheit, die Kryptokokkose untersucht. Hierzu wurde ein murines Infektionsmodell verwendet, bei dem analog zur humanen Situation, die Erkrankung durch Inhalation provoziert wurde. Daraufhin kam es sofort zu einem Befall der Lungen und binnen 60 Tagen zu einer zentralnervösen Kryptokokkose. Im Detail wurde vor allem das zelluläre Entzündungsinfiltrat in beiden Organsystemen untersucht. Hierbei wurde ein Augenmerk auf Makrophagen, Mikrogliazellen und CD4+ Lymphozyten, als auch deren immunologische, funktionelle und molekulare Phänotypen gelegt. Auch die zu den verschiedenen Zeitpunkten vorherrschenden Immunphänotypen im Sinne einer T-Helferzellen-1/T-Helferzellen-2 (TH1/TH2) Antwort und der klassischen Makrophagenaktivierung (M1) sowie der alternativen Makrophagenaktivierung (M2) wurden beleuchtet. Es zeigte sich, dass als Reaktion auf die Infektion in der Lunge großvolumige Makrophagen auftraten, die initial einen prädominant M2-, im Verlauf simultan auftretende distinkte M1- und M2-Phänotypen aufwiesen. Auf dem Höhepunkt der Infektion traten auch pulmonale Riesenzellen mit einem polyfunktionalen M1/M2-Phänotyp auf. Diese morphologischen Beobachtungen ließen sich mittels qPCR auch auf mRNA Ebene untermauern: Es zeigte sich eine simultane Expression von Markern der TH1- und TH2-Stimulation, die jedoch zu distinkter M1- bzw. M2-Polarisierung der Makrophagenpopulationen führte. Im Gehirn verlief die Infektion deutlich anders. Es zeigten sich differente Läsionstypen, von denen nur meningeale und granulomatöse Läsionen großvolumige Makrophagen als Reaktion auf die Infektion aufwiesen. Diese Zellen zeigten trotz morphologischer Ähnlichkeit zu den großvolumigen Makrophagen der Lunge lediglich eine Immunreaktivität für Marker der M2-Polarisierung. Marker der M1-Polarisierung, als auch Riesenzellen konnten im ZNS nicht beobachtet werden. Dies deckt sich mit den Ergebnissen auf mRNA Ebene: Hier zeigte sich ein schwacher TH2-Phänotyp, jedoch eine kräftige Expression der M2-Polarisationsmarker. Ein TH1-Phänotyp wurde nur sehr schwach ausgebildet und Marker der M1-Polarisierung wurden nicht reguliert. In dieser Arbeit zeigte sich ebenfalls, dass die Rolle der Arginase-1, als bis dato paradigmatischer M2-Polarisationsmarker eine spezifische Rolle zuteil wird. Ausschließlich residentelle Makrophagen der Lunge und des ZNS exprimierten Arginase-1, nicht jedoch großvolumige Makrophagen des ZNS oder der Lunge, die CD206 als Marker der M2-Polarisierung exprimierten. Wir beschreiben somit neue Daten zur Charakterisierung spezifischer Moleküle der Aktivierung von Makrophagen und Mikrogliazellen in verschiedenen Lokalisationen. Zusammenfassend kann somit geschlossen werden, dass es distinkte Unterschiede der Immunantwort zwischen den infizierten Lungen und Gehirnen gibt, die zudem vom untersuchten Zeitpunkt der Infektion abhängen. Die Lunge zeigte einen kräftigen M1/TH1-, als auch einen kräftigen M2/TH2-Phänotyp. Die Immunzellen des Gehirns zeigten lediglich einen subtilen TH2-Phänotyp und eine kräftige Expression von Molekülen der M2-Polarisation.

In the present work, cryptococcosis, a disease caused by an opportunistic fungus, was investigated. Therefore a murine model of aerogenically induced cryptococcosis was used. Within 60 days of the infection lung- and subsequent CNS cryptococcosis was established. Focusing on the inflammatory cell response within the above mentioned organs microglial cells, macrophages and CD4+ lymphocytes and their functional, molecular and morphological phenotype as well as classically (M1-) and alternatively activated (M2) macrophage polarization were studied. It was shown that as a reaction to the infection, large foamy macrophages, besides the resident alveolar macrophages, appeared in the lungs. They initially displayed a predominantly M2-phenotype, which eventually turned into distinct but simultaneously present M1- and M2-phenotypes. As the infection reached its climax, multinucleated giant cells, showing a polyfunctional M1/M2-phenotype, were detectable in the lungs. Accordingly, qPCR delivered corroborative results showing a concomitant increase of molecules of the TH1- and TH2-stimulation, however leading to a distinct M1- and M2-polarisation of macrophages. The CNS pathology differed substantially. Three different lesion types were identified, of which only the meningeal and the granulomatous lesions contained large foamy macrophages. Although morphologically resembling the foamy macrophages from the lungs, their immunological phenotype differed profoundly. They only showed an immune reactivity for molecules associated with M2-polarization but not with M1-polarization. Multinucleated giant cells were absent. These findings were consistent with the mRNA results, showing only a mild regulation of TH2-makers, a strong expression of M2-molecules but no substantial TH1/M1-phenotype. Interestingly the role of arginase-1 in the context of macrophage polarization was further elucidated insofar as up to now arginase-1 was identified as a general and paradigmatic marker for M2-polarization. In the present work, exclusively resident macrophages of the lung and the brain showed immune reactivity for arginase-1. Foamy macrophages were only immune reactive for CD206 a marker of M2-polarization but not for arginase-1. Hence arginase-1 seems to have a very distinct and so far elusive role in the context of macrophage polarization. In summary, it was shown, that there are distinct differences of the immune response between the infected lungs and brains concerning the involved immune cells and their functional, morphological and molecular phenotype, additionally depending on the investigated time point. In the lungs, there was a simultaneous increase of markers of TH1/M1- and TH2/M2-polarization, starting with an initial M2-phenotype. Immune cells of the CNS on the other hand only developed a subtle TH2-, a strong M2- but no TH1/M1-phenotype.