Die Funktion von intrazerebralen Makrophagen beim Staphylococcus aureus- induzierten Hirnabszess im Kontext der IL-4R-abhängigen Aktivierung

Abstract

Der Hirnabszess stellt trotz Einführung der Antibiotikatherapie und moderner Diagnostik auch heute noch eine relevante Erkrankung des ZNS dar, insbesondere in Entwicklungsländern. Es handelt sich um eine fokale Entzündung des Zentralnervensystems, die als Reaktion auf eine erregerbedingte Zerstörung von Hirnparenchym entsteht und in einer fibrösen Abkapselung des Entzündungsherdes zum Schutz des umliegenden gesunden Gewebes resultiert. Er bietet ein ideales Modell zur Untersuchung des Zusammenspiels immunstimulatorischer und -regulatorischer Reaktionen im Verlauf einer Infektion mit einer akuten und einer chronischen Phase mit abschließender fibröser Reaktion. Die Entwicklung des Hirnabszesses verläuft sowohl im humanen ZNS als auch im für diese Arbeit verwendeten, murinen Modell des Staphylococcus aureus-induzierten Hirnabszess in charakteristischen, aufeinanderfolgenden Stadien. So zeigte sich bei der Untersuchung von infizierten C57BL/6-Mäusen (Wildtyp) eine auf die Infektion folgende massive Einwanderung von CD11b- bzw. F4/80-positiven Entzündungszellen wie Granulozyten und Makrophagen, sowie eine Aktivierung von Mikroglia. Begleitet wurde diese von einer Hochregulation der Genexpression TH1-assoziierter proinflammatorischer und bakterizider Mediatoren wie Il12a, Tnf, Ifng, sowie Nos2 (iNOS). Es bildete sich in der Folge aus einer diffusen Zerebritis ein nekrotisches Zentrum mit zwischen Granulozyten und iNOS- exprimierenden M1-Makrophagen eingelagerten Bakterienkolonien, gesäumt durch infiltrierende CD4-positive T-Zellen. Nach, z.T. aber auch überlappend mit der initialen TH1/M1-dominierten Immunreaktion konnte eine Umstellung der Zellpopulationen und deren Sekretionsmuster hin zu einer antiinflammatorischen TH2/M2-Antwort beobachtet werden, welche die Heilungsphase und fibröse Abkapselung des Hirnabszesses bestimmte. Dies zeigte sich in der Genexpression TH2- bzw. M2-assoziierter Mediatoren wie Il4 und Il13, sowie Mrc1 (CD206), Clec10a (CD301), Chi3l3 (Ym1) und Ccl17 und zusätzlich von fibroseinduzierenden Zytokinen wie Il10 und Tgfb1. Zudem konnten sogenannte alternativ aktivierte CD206+-Makrophagen in direkter Umgebung der schützenden Kollagenkapsel nachgewiesen werden und zeigten eine räumliche Assoziation mit dem Wachstumsfaktor VEGF-A. Basierend auf diesen Ergebnissen postulierten wir, dass derart aktivierte M2-Makrophagen für die Kapselbildung in der TH2-mediierten Reparaturphase notwendig sind. Die anschließende Untersuchung IL-4Rα-defizienter Mäuse, denen der gemeinsame Rezeptor für die Schlüsselzytokine IL-4 und IL-13 der TH2-Immunreaktion fehlt, ergab keinen von der Wildtyp-Maus differenten spezifischen klinischen Phänotyp. Allerdings zeigte sich eine signifikante Herabregulation der TH2-Zytokine Il13 und Il5, sowie der profibrotischen Mediatoren Il10, Tgfb1 und Ccl17. Diese führte morphologisch zwar zu einer alterierten M2-Antwort und Fibrosereaktion, dennoch konnte eine Expression der charakteristischen Marker und eine konsekutive Kapselbildung im chronischen Stadium detektiert werden. Eine mögliche Induktion kompensatorischer Immunmechanismen für eine IL-4Rα- unabhängige alternative Aktivierung bzw. Bildung der Kollagenkapsel konnte durch die Analyse potentieller Signalwege über IL 13/IL 13Rα2, IL-10R, IL 17A /IL-17Rα, sowie TLR/MyD88 jedoch nicht gezeigt werden.

Despite the introduction of antibiotics and improved diagnostics brain abscess still is a serious, life-threatening infection, especially in developing countries. It is a focal inflammation of the central nervous system, which develops as a reaction to the destruction of cerebral tissue by invading pathogens and results in a fibrous encapsulation to protect the surrounding healthy brain parenchyma. The development of brain abscess in humans, matching our model of murine Staphylococcus aureus-induced brain abscess, is characterized by a distinctive sequence of morphological and immunological events. The present work examining C57BL/6 mice (wildtype) showed a massive invasion of granulocytes and macrophages as well as an activation of microglia as an initial inflammatory reaction to the infection. This process was accompanied by an upregulation of gene expression of TH1-associated proinflammatory and bactericidal mediators such as Il12a, Tnf, Ifng and Nos2 (iNOS). Subsequently, a focal inflammatory lesion developed, characterized by a central necrosis comprising bacteria, granulocytes and iNOS-positive M1-macrophages, surrounded by several layers of CNS-invasive CD4+ lymphocytes. Partially overlapping, the early TH1/M1-dominated immune response was followed by antiinflammatory TH2/M2-mediated mechanisms, leading to capsule formation during advanced stages of disease. Accordingly, qPCR-analysis showed an increase of key TH2-dependent markers such as Il4, Il13, Mrc1 (CD206), Clec10a (CD301), Chi3l3 (Ym1) and Ccl17 as well as an upregulation of Il10 and Tgfb1, two main cytokines associated with fibrosis. Furthermore, CD206-positive alternatively activated macrophages (M2) were found in the immediate vicinity of the protective capsule and were closely associated with VEGF-A. Based on these findings, we hypothesized that alternatively activated macrophage polarization is crucial for beneficial capsule formation during the healing phase of brain abscess formation. Remarkably, IL-4Rα-deficient mice, which do not signal via the TH2-master cytokines IL 4 and IL-13 did not show a distinctive clinical phenotype although they developed a brain abscess morphology divergent from identically infected wildtype mice. Downregulation of gene expression of the TH2-associated cytokines Il13 and Il5 in addition to downregulation of the profibrotic mediators Il10, Tgfb1 and Ccl17 morphologically altered the response of M2 macrophages and fibroblasts. Nevertheless, expression of CD206 on macrophages along with a fibrous capsule could be detected. This indicated the possibility of IL-4Rα-independent alternative activation of macrophages and IL-4Rα-independent formation of a fibrous capsule in brain abscess. However, gene expression of known potential compensatory immune mechanisms acting via the IL-13/IL-13Rα2-, IL-10R-, IL-17A /IL-17Rα- or TLR/MyD88-axis were not significantly different in IL-4Rα-/- mice as compared to wildtype mice.