Die Bedeutung von Galektin-2 und Galektin-4 im mukosalen Immunsystem

Abstract

Bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen handelt es sich um Erkrankungen, die durch eine überschießende Immunantwort gekennzeichnet sind. Diese ist verbunden mit einer gestörten T-Zellapoptose. Das daraus resultierende Ungleichgewicht zwischen Proliferation und Apoptose sorgt für eine anhaltende Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Im Verlauf der Erkrankung kommt es zu Schäden an der Mukosa, welche konsekutiv ihre Barrierefunktion verliert. Galektine sind zuckerbindende Lektine, die auf vielfältige Art Prozesse, wie z.B. Zellaktivierung, Proliferation, Zytokinsekretion, Migration und Apoptose, beeinflussen. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss von Gal-2 und Gal-4 auf das mukosale Immunsystem in vivo und in vitro untersucht. Diese beiden Galektine wurden gewählt, da sie nahezu exklusiv im Gastrointestinaltrakt exprimiert werden. Anhand eines etablierten Wundheilungsmodells mit Epithelzellen konnte gezeigt werden, dass Gal-2 und Gal-4 die intestinale Epithelzellrestitution fördern. Dabei wurden die Migration und Proliferation intestinaler Epithelzellen gesteigert. Untersuchungen an T-Zellen aus dem peripheren Blut und aus der Lamina propria zeigten, dass Gal-2 an den β1-Integrin und Gal-4 an den CD3-Rezeptor auf der T -Zell-Oberfläche bindet. Die Interaktion beider Galektine mit T-Zellen initiiert eine gesteigerte Apoptose stimulierter, jedoch nicht ruhender T-Zellen. Die durch Gal-2 induzierte Apoptose verläuft über die Aktivierung von Caspase-3 und -9. Gal-4 induziert Apoptose caspase-unabhängig über einen calpain-abhängigen Signalweg. Weiterhin ergaben Untersuchungen der Zytokinsekretion eine Hemmung proinflammatorischer Zytokine, wie z.B. TNF-α, IL-6, IL-8 und IL-17 durch beide Galektine. Die Ergebnisse der Zellzyklusanalysen zeigten eine Hemmung des Zellzyklus von T-Zellen durch Gal-4, jedoch nicht durch Gal-2. In vivo Untersuchungen in einem DSS- induzierten Kolitis Modells in der Maus zeigten, dass es durch Gal-2 und Gal-4, im Vergleich zur Kontrollgruppe, zu einer signifikanten Verbesserung der klinischen und histologischen Entzündungsreaktion kommt. Dabei konnte eine verminderte Infiltration von inflammatorischer Zellen in den Darm sowie eine Abnahme der Mukosaschädigung gezeigt werden. Zusätzlich wurde durch die Gal-4-Behandlung die Anzahl proliferierender Zellen in der Mukosa, gesenkt. Untersuchungen der Lymphozytenfunktionalität durch Analyse der Zytokinsekretion ergaben eine verringerte Sekretion proinflammatorischer Zytokine. Gleichzeitig war das antiinflammatorische Zytokin IL-10 bei der Behandlung mit Gal-4 erhöht. Untersuchungen zur Apoptose zeigten eine signifikante Steigerung apoptotischer CD3-positiver Zellen in der Mukosa nach Behandlung mit Gal-2 und Gal-4. Diese Ergebnisse legen eine zentrale Rolle von Gal-2 und Gal-4 auf unterschiedliche Prozesse und Zellarten im mukosalen Immunsystem dar.

Inflammatory bowel diseases are characterised by an uncontrolled immune reaction in common with an impaired T cell apoptosis. The resulting imbalance between proliferation and apoptosis induces a persistent inflammation in the intestinal mucosa. Furthermore, the persistant mucosal damage impairs the epithelial cell function and its barrier function. In our work we analysed the effect of galectin-2 and galectin-4 on the mucosal immune system. Galectins are a family of sugar-binding lectins which more and more emerged as major regulator of different signaling processes, including cell activation, proliferation, cytokine secretion, migration and apoptosis. Since galectin-2 and galectin-4 are mainly expressed in the gastrointestinal tract, we focussed on those two lectins. A wound healing assay with epithelial cells showed that galectin-2 and -4 promote epithelial cell restitution, with an increase in cell migration and cell proliferation. Analysis of the interaction of both galectins with peripheral blood T cells revealed that galectin-2 binds to the β1-integrin at the cell surface while galectin-4 binds at the CD3 Rezeptor of stimulated T cells. Both galectins induced apoptosis of stimulated, but not resting T cells. Galectin-2 induced apoptosis via caspsae-3 and caspase-9 dependent pathways. In contrast, apoptosis induced by galectin-4 was caspase- independent, but calpain-dependent. Determination of the cytokine secretion profile of T cells revealed a decrease in pro-inflammatory cytokines, like TNF-α, IL-6, IL-8 und IL-17, when incubated with galectin-2 or galectin-4. Cell cycle analyses showed an inhibitory effect of galectin-4 on cell cycle progression of T cells, while galectin-2 did not influence the cell cycle. In a model of DSS-induced colitis in mice, galectin-2 and -4 treatment significantly ameliorated clinical and histological signs of colitis compared to controls. Both lectins reduced the number of inflammatory cells migrated into the mucosa and diminished mucosal damage. In addition, galectin-4 decreased the number of proliferating cells in the intestinal mucosa. Analyses of the cytokine secretion profile showed a lowered secretion of pro- inflammatory cytokines. Furthermore, the anti-inflammatory cytokine IL-10 was increased in mice treated with galectin-4. Determination of apoptosis in mice treated with galectin-2 or galectin-4 showed a significant increase in apoptotic CD3 positive cells in the mucosa. Thus, our study provided for the first time evidence that galectin-2 and galectin-4 play a central and distinct role in the mucosal immune system.