NLRP3 protects the alveolar barrier by an inflammasome-independent increase of epithelial cell adherence

Abstract

The sensing of pathogens via the innate immune system is carried out by a plethora of pattern recognition receptors (PRRs). Their proper activation and signaling plays a vital role for the protection of the lung against invading microorganisms. The bacterium Streptococcus pneumoniae is the main causative agent of community-acquired pneumonia throughout the world. The condition often progresses to more serious lung injury characterized by life-threatening alveolar leakage due to barrier dysfunction. In the current study, we set out to study the potential involvement of the innate immune sensor NLRP3 for the alveolar barrier function maintenance. Best known for its ability to form inflammasomes and to regulate the production of Il-1β and IL-18, the role of NLRP3 has been widely studied in cells of myeloid origin. Our data demonstrate that in a model of S.pneumoniae-induced pneumonia, NLRP3 facilitates the integrity of the alveolar barrier. Moreover, NLRP3 was shown to play a protective function ex vivo experiments with isolated, perfused and ventilated murine lungs as well as in vitro studies with primary lung cells treated with the purified bacterial toxin pneumolysin (PLY). Interestingly, we reveal that the beneficial effect of NLRP3 on the lung barrier is independent of the classical inflammasome function and of the inflammasome-dependent cytokines IL-1β and IL-18. We show that NLRP3 improves the integrity of alveolar epithelial cell (AEC) monolayers in vitro by promoting cellular adherence to the extracellular matrix. In summary, this work uncovers a hitherto unknown function of the NLRP3 protein which is involved in epithelial barrier function and is independent of the inflammasome.

Pathogene werden vom angeborenen Immunsystem über eine Vielzahl an „pattern recognition“-Rezeptoren (PRRs) erkannt. Deren angemessene Aktivierung und Signalweiterleitung sind essentiell, um die Lunge vor eindringenden Mikroorganismen zu schützen. Das Bakterium Streptococcus pneumoniae ist weltweit der Hauptverursacher von ambulant erworbener Pneumonie. Der Verlauf einer solchen Lungenentzündung geht oft mit der Entstehung von schweren Schädigungen der Lunge einher, die durch lebensbedrohliche alveolare Durchlässigkeit, aufgrund von Barriere-Dysfunktion gekennzeichnet ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die potentielle Beteiligung des angeborenen Immun-Sensors NLRP3 an der Erhaltung der alveolaren Barriere- Funktion zu untersuchen. Die Rolle von NLRP3, welches bekannt ist durch seine Fähigkeit, Inflammasome zu bilden und die Produktion von Il-1β und IL-18 zu regulieren, wurde weitgehend in Zellen mit myeloider Herkunft untersucht. Unsere Daten zeigen, dass NLRP3 in einem Modell der S. pneumoniae-induzierten Pneumonie die Integrität der alveolaren Barriere unterstützt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass NLRP3 sowohl in ex vivo Experimenten mit isolierten, perfundierten und ventilierten murinen Lungen, als auch in in vitro Experimenten mit primären, Pneumolysin (PLY)-behandelten Lungenzellen eine protektive Funktion hat. Interessanterweise stellte sich heraus, dass der vorteilhafte Effekt von NLRP3 auf die Lungenbarriere unabhängig von der klassischen Inflammasom-Aktivität und der Inflammasom-abhängigen Zytokine IL- 1β und IL-18 ist. Wir konnten zeigen, dass NLRP3 die Integrität der alveolaren Epithelzell (AEC)-Schicht in vitro durch die Unterstützung der zellulären Adhärenz an die extrazelluläre Matrix verbessert. Zusammenfassend deckt diese Arbeit eine bisher unbekannte Funktion des NLRP3 Proteins auf, welche an der epithelialen Barriere-Funktion beteiligt ist, unabhängig vom Inflammasom.