Diet, microbes and gut immune responses in the pathogenesis of experimental type 1 diabetes

Type 1diabetes (T1D) is an autoimmune disease, which is influenced by a variety of environmental factors including diet and microbes. These factors affect the homeostasis and the immune system of the gut. This thesis explored the altered regulation of the immune system and the development of diabetes in non-obese diabetic (NOD) mice. Inflammation in the entire intestine of diabetes-prone NOD mice was studied using a novel ex-vivo imaging system of reactive oxygen and nitrogen species (RONS), in relation to two feeding regimens. In parallel, gut barrier integrity and intestinal T-cell activation were assessed. Extra-intestinal manifestations of inflammation and decreased barrier integrity were sought for by studying peritoneal leukocytes. In addition, the role of pectin and xylan as dietary factors involved in diabetes development in NOD mice was explored. NOD mice showed expression of RONS especially in the distal small intestine, which coincided with T-cell activation and increased permeability to macromolecules. The introduction of a casein hydrolysate (hydrolysed milk protein) diet reduced these phenomena, altered the gut microbiota and reduced the incidence of T1D. Extra-intestinally, macrophages appeared in large numbers in the peritoneum of NOD mice after weaning. Peritoneal macrophages (PM) expressed high levels of interleukin-1 receptor associated kinase M (IRAK-M), which was indicative of exposure to ligands of toll-like receptor 4 (TLR-4) such as bacterial lipopolysaccharide (LPS). Intraperitoneal LPS injections activated T cells in the pancreatic lymph nodes (PaLN) and thus, therefore potentially could activate islet-specific T cells. Addition of pectin and xylan to an otherwise diabetes-retarding semisynthetic diet affected microbial colonization of newly-weaned NOD mice, disturbed gut homeostasis and promoted diabetes development. These results help us to understand how diet and microbiota impact the regulation of the gut immune system in a way that might promote T1D in NOD mice.

Ruokavalion ja mikrobiston vaikutus suoliston immuunijärjestelmään ja tyypin 1 diabeteksen kehittymiseen Tyypin 1 diabetes on autoimmuunitauti, jonka patogeneesiin vaikuttavat monet ympäristötekijät, mukaan luettuna ruokavalio ja mikrobit. Nämä tekijät vaikuttavat suolen toiminnan tasapainoon ja suolen immuunijärjestelmään. Tämä väitöskirja käsittelee immuunijärjestelmän muuttunutta säätelyä ja diabeteksen kehittymistä diabetesalttiille Non-Obese Diabetic (NOD)-hiirille. Väitöskirjassa on tutkittu reaktiivisten happi- ja typpiyhdisteiden (RONS) välittämää tulehdusta NOD-hiirten suolistossa sekä ravintokuitujen roolia suolen toiminnan tasapainossa, mikrobien kolonisaatiossa ja diabeteksen kehittymisessä NOD-hiirillä. Normaaliin ruokavalioon siirtyneet vieroitetut hiiret kärsivät suolen lisääntyneestä läpäisykyvystä, tulehduksen lisääntymisestä suolistossa ja tyypin 1 diabeteksesta. Lisäksi vieroittamisen ja ruokavaliomuutoksen jälkeen NOD-hiirten vatsaontelosta löydettiin suuria määriä makrofageja. Vatsaontelon makrofagit tuottivat enemmän interleukiini-1-reseptoriassosioitua kinaasia M (IRAK-M), mikä viittaa aiempaan altistukseen Toll:in kaltaisen reseptori neljän (TLR-4) ligandeille kuten bakteerien tuottamalle lipopolysakkaridille (LPS). Vatsakalvon alainen LPS-injektio johti T-solujen aktivoitumiseen haiman imusolmukkeissa. Saarekespesifisten T-solujen aktivoituminen haiman imusolmukkeissa on yksi keskeisimpiä tapahtumia tyypin 1 diabeteksen patogeneesissa NOD-hiirillä. Pektiinin ja ksylaanin lisääminen muutoin diabetekselta suojaavaan ns. semisynteettiseen ruokavalioon vaikutti NOD-hiirten suolen kolonisoitumiseen mikrobistolla ja suolen tulehdusvasteiden tasapainoon ja lisäsi diabeteksen ilmaantumista. Tämän tutkimuksen perusteella mikrobistolla ja ruokavaliolla, etenkin ruokavalion sisältämillä ravintokuiduilla näyttäisi olevan merkitystä suoliston immuunijärjestelmän säätelyssä ja tyypin 1 diabeteksen ilmaantumisessa NOD-hiirillä.