Campylobacter concisus impairs colonic epithelial sodium channel function and aggravates epithelial barrier dysfunction via mucosal immune activation

Abstract

Campylobacter concisus impaired colonic epithelial sodium channel (ENaC) function with the transcriptional downregulation of regulatory ENaC subunits (-β and -γ). The activation of intracellular mitogen-activated protein kinase (MAPK) enzyme extracellular signal-regulated kinase (ERK) by C. concisus is ascertained as an intracellular cell signaling pathway in inducing ENaC dysfunction. The transcriptional upregulation of interleukin (IL)-32 plays a pivotal role in C. concisus-induced ENaC dysfunction as the bioinformatics prediction from ingenuity pathway analysis (IPA) identified IL-32 as a potential activator of the ERK signaling pathway. The increase in expression of tight junction (TJ) protein claudin-8 following steroid stimulation prevents paracellular back-leakage of sodium (Na+) ions absorbed by ENaC in colonic epithelium. Claudin-8 protein expression was decreased along with the subcellular redistribution off the tight junction (TJ) domain by C. concisus infection in the colonic epithelial cells stimulated by steroids. Therefore, claudin-8 disruption in the colonic epithelium is another cellular pathomechanism of C. concisus in the context of Na+-malabsorptive diarrhea.

The epithelial barrier dysfunction induced by C. concisus was more pronounced under the influence of immune response in the co-culture model of colonic epithelial cells and macrophages. The macrophage activation by C. concisus in the co-culture setup was accompanied by an increase in the release of proinflammatory cytokines, tumor necrosis factor (TNF)-α, IL-1β and IL-6. Concomitantly, the expression of TJ proteins occludin and tricellulin was decreased along with the subcellular redistribution of these proteins from the TJ domains. Moreover, C. concisus infection increased the flux of fluorescein (332 Da) in the monoculture and co-culture cell monolayers. In contrast, the flux of the macromolecule fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran (4 kDa) was increased only in the co-culture monolayers after infection. Furthermore, C. concisus induced epithelial apoptosis in the co-culture monolayers. However, the quantification data implied no significant difference in the apoptotic cell numbers between the infected monolayers in monoculture and co-culture conditions. Therefore, the epithelial apoptotic leaks and the functional loss of occludin by C. concisus infection contribute to the increase in the flux of small molecules as fluorescein (332 Da). However, under the regulatory influence of macrophage immune response, C. concisus additionally enhances the flux of macromolecules as dextran 4 kDa by the opening of the leak pathway through tricellulin disruption in the tTJ.

Campylobacter concisus beeinträchtigte die Funktion des epithelialen Natriumkanals (ENaC) im Colon durch die transkriptionelle Herabregulation der regulatorischen ENaC-Untereinheiten (-β und -γ). Die Aktivierung der intrazellulären mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK) in Form des Enzyms Extracellular Signal-regulated Kinase (ERK) durch C. concisus wurde als intrazellulärer Zellsignalweg bei der Induktion der ENaC-Dysfunktion festgestellt. Die transkriptionelle Hochregulierung von Interleukin (IL)-32 spielt eine zentrale Rolle bei der C. concisus-induzierten ENaC-Dysfunktion, da die bioinformatische Vorhersage aus der Ingenuity Pathway Analysis (IPA) IL-32 als potenziellen Aktivator des ERK-Signalwegs identifizierte. Die Zunahme der Expression des Tight Junction (TJ)-Proteins Claudin-8 nach Steroidstimulation verhindert den parazellulären Rückstrom von Natrium Na+-Ionen, die vom ENaC im Kolonepithel resorbiert werden. Die Claudin-8-Proteinexpression wurde zusammen mit der subzellulären Umverteilung von Claudin-8 aus der Tight Junction (TJ)-Domäne der Epithelzelle heraus durch die C. concisus-Infektion vermindert. Daher ist die Claudin-8-Umverteilung im Kolonepithel ein weiterer zellulärer Pathomechanismus von C. concisus im Kontext der durch die Na+-Resorptionsstörung bedingten malabsorptiven Diarrhoe.

Die durch C. concisus induzierte epitheliale Barrieredysfunktion war unter dem Einfluss der Immunantwort im Co-Kulturmodell von Kolonepithelzellen und Makrophagen stärker ausgeprägt. Die Makrophagenaktivierung durch C. concisus im Co-Kultur-Setup ging mit einer erhöhten Freisetzung der pro-inflammatorischen Zytokine Tumor-Nekrose-Faktor (TNF)-α, IL-1β und IL-6 einher. Gleichzeitig war die Expression der TJ-Proteine Occludin und Tricellulin vermindert, zusammen mit einer subzellulären Umverteilung dieser Proteine aus den TJ-Domänen heraus. Darüber hinaus erhöhte die C. concisus-Infektion die epitheliale Permeabilität für Fluorescein (332 Da) in den Zellmonolayern der Monokultur und der Co-Kultur. Im Gegensatz dazu war die epitheliale Permeabilität für das Makromolekül Fluorescein Isothiocyanat (FITC)-Dextran (4 kDa) nur in den Co-Kultur-Monolayern nach der Infektion erhöht. Darüber hinaus induzierte C. concisus in den Co-Kultur-Monolayern die epitheliale Apoptose. Die Quantifizierungsdaten ergaben jedoch keinen signifikanten Unterschied in der Anzahl der apoptotischen Zellen zwischen den infizierten Monolayern in Monokultur und Co-Kultur. Daher tragen die epithelialen apoptotischen Lecks und der Funktionsverlust von Occludin durch die C. concisus-Infektion zur Erhöhung der epithelialen Permeabilität für kleine Makromoleküle bei. Unter dem regulierenden Einfluss der Makrophagen-Immunantwort erhöht C. concisus darüber hinaus jedoch die epitheliale Permeabilität für Makromoleküle wie Dextran 4 kDa durch Öffnung der tTJ (Leak pathway) infolge einer Störung der Tricellulin-Verteilung.