The role of eosinophils in regulation of T- and B-cell responses during enteric nematode infection

Abstract

Title: the role of eosinophils in regulation of T- and B-cell responses during enteric nematode infection Background: eosinophils are implicated in B-cell maintenance and Th2 induction and are increasingly recognized for their influence on the development of Peyer’s patches (PP). Moreover, it was recently discovered that eosinophils support IgA class switching in the PP, further implicating eosinophils in intestinal homeostasis. However, whether the PP participate in immune responses against intestinal helminths and whether eosinophils influences such responses has not been studied. Here eosinophil deficient mice were used to investigate the role of eosinophils in intestinal Th2 responses, using the small intestinal nematode Heligmosomoides polygyrus- a natural pathogen of mice and a useful model for human gastrointestinal helminth infection, but to which the role of eosinophils in host protection is understudied. Aims: 1\. Determine whether the PP participate in H. polygyrus induced Th2 and antibody responses. 2\. Determine whether eosinophils affect Th2 and antibody responses to H. polygyrus 3\. Assess whether eosinophil deficiency affects the survival and fecundity of H. polygyrus. Results: the main immune response to H. polygyrus in wild type (WT) mice was found to take place in the gut-draining mesenteric lymph nodes (mLN), not the PP and eosinophils were found to maintain a divison of labor between the PP and mLN. Specifically, whereas H. polygyrus infection did not result in significant increases of IL-4+ T-cells or IgG1+ B-cells in the PP of WT mice, significant increases in IL-4+ and IgG1+ cells were detected in the PP of eosinophil deficient mice. This was despite Th2 induction and IgG1 class switching being unaffected by eosinophil deficiency in the mLN. The increase of IL-4 producing cells in the PP of eosinophil deficient mice was specifically evident in T-follicular helper cells (TFH), whereas TFH in PP of WT mice did not increase IL-4 production in response to H. polygyrus. The PP of WTmice maintained high levels of IgA production following H. polygyrus infection, Whereas the frequencies of IgA+ B-cells dropped considerably in the PP of infected eosinophil-deficient mice. Finally, although H. polygyrus survival was not affected by the absence of eosinophils, eosinophil deficiency significantly impaired parasite fecundity. this was despite expression of molecules with known anti-helminth functions being comparable between eosinophil deficient and wt mice. conclusion: this work demonstrates that eosinohils maintain a regulated state in the pp during infection with h. polygyrus. this places the eosinophil in a new, evolutionary sensible position in which it ensures that iga production is maintained despite infection with an enteric pathogen.

Title: Die Rolle von Eosinophilen in der Regulation von T- und B- Zellantworten in einer Intestinalen Nematodeninfektion Hintergrund: Eosinophile unterstützen die Aufrechterhaltung langlebiger B-Zell-Populationen in Knochenmark und Darm und sind, unter bestimmten Bedingungen, an der Ausbildung von T-Zellantworten des Typs 2 (Th2) beteiligt. Zusätzlich spielen sie eine Rolle für die normale Entwicklung der Peyerschen Plaques (PP) des Dünndarms. Dass Eosinophile wichtig für die Aufrechterhaltung der Homöostase intestinaler Immunreaktionen sind konnte kürzlich durch den Nachweis ihrer unterstützenden Rolle für den IgA-Isotyp-Klassenwechsel von B-Zellen in den PP nachgewiesen werden. Ob Eosinophile allerdings auch die intestinale Immunantwort gegen parasitische Darmwürmer beeinflussen, und was während solcher Infektionen in den PP geschieht, ist bisher nicht untersucht worden. In dieser Arbeit wurden Eosinophilen-defiziente Mausstämme genutzt, um eine mögliche regulative Rolle dieser Zellen in intestinalen Th2-Infektionen zu analysieren. Als Infektionsmodell diente der Dünndarmnematode Heligmosmoides polygyrus, ein natürlicherweise in Mäusen vorkommender Parasit, der als Modell für chronische Wurminfektionen des Menschen Verwendung findet. Die Rolle von Esoinophilen in der Immunantwort gegen diesen Parasiten ist bisher ungenügend untersucht. Ziele: 1\. Beurteilung der Beteiligung der PP an der durch H. polygyrus induzierten Th2- und Antikörperantwort. 2\. Überprüfung, ob Eosinophile die Th2- sowie Antikörperantwort in der Infektion beeinflussen. 3\. Überprüfung, ob das Fehlen von Eosinophilen das Überleben und die Fekundität von H. polygyrus beeinflusst. Ergebnisse: Die Immunantwort gegen H. polygyrus findet in Wildtyp- (WT-) Mäusen vornehmlich in den Darm- drainierenden, mesenterialen Lymphknoten (mLK) statt, wobei Eosinophile für die Aufgabenteilung zwischen mLK und PP wichtig sind. Während die Infektion durch H. polygyrus in den PP von WT-Tieren nur zu einer geringfügigen Zunahme von IL-4 produzierenden Th2 Zellen und IgG1+ B-Zellen führte, nahmen beide Zelltypen in PP von Eosinophilen-defizienten Tieren nach Infektion signifikant zu. Die Zunahme von Th2-Zellen und IgG1-produzierenden B-Zellen in den mLK war interessanterweise in Eosinophilen-defizienten Tieren nicht verändert. Die Zunahme von IL-4-produzierenden Zellen war in PP besonders deutlich in der subpopulation von follikulären T-Helferzellen (TFH) nachweisbar. Im Gegensatz zur übermäßigen Zunahme von IgG1-produzierenden B-Zellen bei gleichzeitigem Verschwinden von IgA-produzierenden B-Zellen in PP von infizierten Eosinophilen-defizienten Tieren wurde in PP von infizierten WT-Tieren die Produktion von IgA beibehalten. Das Überleben von H. polygyrus schließlich war durch diese Veränderungen nicht beeinträchtigt, die Eosinophilendefizienz beeinträchtigte jedoch die Fekundität der adulten Würmer, messbar durch die verminderte Eiproduktion weiblicher Würmer. Die Frage nach dem für die geringere Eiproduktion verantwortlichen Faktor bleibt vorläufig offen, da die Produktion von Effektormolekülen, welche die Fruchtbarkeit der Würmer beeinträchtigen können, von der Eosinophilendefizienz nicht beeinflusst war. Fazit: Diese Arbeit zeigt, dass Eosinophile nicht nur, wie bisher gezeigt, homöostatische B-Zell-Antworten in den PP regulieren, sondern auch wichtig für die balancierte Antikörperproduktion während einer intestinalen Nematodeninfektion sind. Eosinophile spielen für die Ausprägung von Th2- sowie assoziierten Antikörperantworten in den Darm-drainierenden mLK keine Rolle, sind jedoch wichtig, um einen Zusammenbruch der kontinuierlichen IgA- Antikörperproduktion in den PP des Dünndarmes während einer intestinalen Parasiteninfektion zu unterbinden. Diese Arbeit zeigt also, dass Eosinophile vermutlich im Lauf der Evolution neben ihrer Effektorfunktion gegen Pathogene eine weitere, auf die Immunregulation in den PP des Darmes spezialisierte Rolle übernommen haben.