Studies on the antimicrobial defence of human hair follicle epithelium

Abstract

The hair follicle ostium represents a potential port of microbial entry into the skin and harbours a rich residential microflora, but only rarely shows clinical signs of infection. This suggests the presence of effective local antimicrobial defence systems. So far, research was mostly focussed on the cellular components of the hair follicle’s adaptive immune system, although some antimicrobial peptides (AMPs) had already been detected in this region. Therefore the current study aimed at systematically analysing the immunoreactivity of four selected AMPs in normal human scalp hair follicles in situ: RNase 7, psoriasin, hornerin and LEKTI-2. Furthermore the two well characterized AMPs RNase 7 and psoriasin were additionally examined in isolated outer root sheath keratinocytes, via semi-quantitative RT-PCR and immunohistochemistry. In addition, functional studies in full thickness skin organ culture were conducted investigating whether hair follicle AMPs can be stimulated by prototypic bacterial pathogenicity factors [lipopolysaccharides (LPS), lipoteichoic acid (LTA) and protein A] and/ or the pro-inflammatory cytokine interferon-γ (IFNγ). In this study, all tested AMPs could indeed be detected in the hair follicle epithelium as well as in the sebaceous gland, providing the first immunohistological expression pattern for RNase 7, hornerin and LEKTI-2. RNase 7 immunoreactivity was found throughout the entire outer root sheath (ORS), whereas psoriasin was only observed in the ORS distal of the orifice of the sebaceous duct. Hornerin immunoreactivity was revealed in the entire ORS with a very strong suprabasal staining pattern in the distal part and LEKTI-2 displayed in addition to the strong immunoreactivity in the ORS a very intense staining of the companion layer. Moreover, psoriasin and RNase7 mRNA could be detected in isolated ORS keratinocytes from the distal and the middle part of the hair follicle, but not from the proximal part. Furthermore isolated ORS keratinocytes from all different parts also showed a strong immunoreactivity for RNase 7, but not for psoriasin. Stimulation of normal human scalp skin biopsies in serum-free organ culture with LPS from different gram-negative microbes significantly up-regulated RNase 7 and psoriasin immunoreactivity in the distal part of the ORS, whereas hornerin remained at about the same level. LTA and protein A both significantly increased psoriasin IR, while RNase 7 was only up-regulated by LTA, and hornerin was even down-regulated by LTA. IFNγ did not influence neither psoriasin nor RNase 7 immunoreactivity, but significantly down-regulated hornerin immunoreactivity. To summarize, this study confirms that the epithelium of human hair follicles exhibits an elaborate and partially inducible antimicrobial defence system which includes the peptides RNase 7, psoriasin, hornerin and LEKTI-2. RNase 7 and psoriasin are inducible by bacterial cell wall components, whereas hornerin is constitutively expressed and does not appear to respond prominently to exposure to exemplary bacterial pathogenicity factors.

Die Öffnung des Haarfollikels repräsentiert eine mögliche Eingangspforte für Mikroben und beherbergt zudem eine ausgeprägte Mikroflora, zeigt jedoch relativ selten klinische Zeichen einer Infektion. Dies läßt auf das Vorhandensein von wirksamen lokalen Abwehrsystemen, die auch antimikrobielle Peptide (AMPs) miteinbeziehen, schliessen. Bis zum jetzigen Zeitpunkt standen die zellulären Komponenten des erworbenen Immunsystems des Haarfollikels hauptsächlich im Mittelpunkt der Forschung, obwohl einige AMPs in dieser Region bereits nachgewiesen worden waren. Deshalb beabsichtigte die aktuelle Studie, die Immunreaktivität von vier ausgewählten AMPs in menschlichen Haarfollikeln der Kopfhaut in situ systematisch zu analysieren: RNase 7, psoriasin, hornerin und LEKTI-2. Außerdem wurden zusätzlich die zwei gut charakterisierten AMPs Psoriasin und RNase 7 in isolierten Keratinozyten der äußeren Wurzelscheide mittels semi-quantitativer RT-PCR und Immunhistochemie untersucht. Ferner wurden funktionelle Studien in Vollhautorgankultur durchgeführt, um zu ergründen, inwiefern AMPs des Haarfollikels von prototypischen bakteriellen Pathogenitätsfaktoren [Lipopolysacchariden (LPS), Lipoteichonsäure (LTA) und Protein A] und/oder dem proinflammatorischen Zytokin Interferon-gamma (IFNγ) stimuliert werden können. In dieser Arbeit konnten in der Tat alle untersuchten AMPs im Haarfollikelepithel und in der Talgdrüse nachgewiesen werden und damit das erste immunhistologische Expressionsmuster im Haarfollikel für Rnase 7, Hornerin und LEKTI-2 erbracht werden. RNase 7 IR wurde über die gesamte Länge der äußeren Wurzelscheide (ORS) gefunden, wohingegen Psoriasin lediglich in den weiter proximalen Anteilen der ORS beobachtet wurde. Hornerin Immunreaktivität präsentierte sich ebenfalls in der ganzen ORS, mit einem äußerst starken suprabasalen Färbemuster im distalen Teil. LEKTI-2 zeigte zusätzlich zu einer starken Immunreaktivität in der ORS auch eine äußerst starke Färbung in der sog. Companion Layer. Zudem konnte mRNA von Psoriasin and RNase7 in isolierten Keratinozyten der ORS des distalen und mittleren, jedoch nicht des proximalen Anteils des Haarfollikels nachgewiesen werden. Außerdem besaßen isolierte Keratinozyten der ORS aller Anteile eine starke RNase 7 Immunreaktivität, jedoch keine Psoriasin Immunreaktivität. Die Stimulation von Biopsien aus normaler menschlicher Kopfhaut in serumfreier Organkultur mit LPS von verschiedenen gram-negativen Keimen resultierte in einer signifikanten Hochregulation der Immunreaktivität von RNase 7 und Psoriasin im distalen Anteil der ORS, wohingegen die Immunreaktivität von Hornerin auf dem selben Niveau blieb. LTA und Protein A erhöhten die Immunreaktivität von Psoriasin signifikant, während die von RNase 7 nur durch LTA hochreguliert wurde und die Immunreaktivität des Hornerins von LTA sogar herunterreguliert wurde. IFNγ hatte keinen Einfluss auf die Immunreaktivität von RNase 7 und Psoriasin, bewirkte jedoch eine signifikante Erniedrigung der Immunreaktivivität von Hornerin. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bestätigen somit, dass das Haarfollikelepithel ein komplexes und teilweise induzierbares antimikrobielles Abwehrsystem, das die Peptide RNase 7, Psoriasin und Hornerin und LEKTI-2 einschließt, besitzt. RNase 7 und Psoriasin lassen sich durch bakterielle Zellwandbestandteile induzieren, wohingegen Hornerin konstitutiv exprimiert ist und bei Kontakt mit exemplarisch ausgewählten bakteriellen Pathogenitätsfaktoren weitgehend unverändert bleibt.