Identification of novel innate immune mechanisms regulating inflammation in the gastrointestinal tract

The Gastro-Intestinal (GI) tract is a unique region in the body. Our innate immune system retains a fine homeostatic balance between avoiding inappropriate inflammatory responses against the myriad commensal microbes residing in the gut while also remaining active enough to prevent invasive pathogenic attack. The intestinal epithelium represents the frontline of this interface. It has long been known to act as a physical barrier preventing the lumenal bacteria of the gastro-intestinal tract from activating an inflammatory immune response in the immune cells of the underlying mucosa. However, in recent years, an appreciation has grown surrounding the role played by the intestinal epithelium in regulating innate immune responses, both in the prevention of infection and in maintaining a homeostatic environment through modulation of innate immune signalling systems. The aim of this thesis was to identify novel innate immune mechanisms regulating inflammation in the GI tract. To achieve this aim, we chose several aspects of regulatory mechanisms utilised in this region by the innate immune system. We identified several commensal strains of bacteria expressing proteins containing signalling domains used by Pattern Recognition Receptors (PRRs) of the innate immune system. Three such bacterial proteins were studied for their potentially subversive roles in host innate immune signalling as a means of regulating homeostasis in the GI tract. We also examined differential responses to PRR activation depending on their sub-cellular localisation. This was investigated based on reports that apical Toll-Like Receptor (TLR) 9 activation resulted in abrogation of inflammatory responses mediated by other TLRs in Intestinal Epithelial Cells (IECs) such as basolateral TLR4 activation. Using the well-studied invasive intra-cellular pathogen Listeria monocytogenes as a model for infection, we also used a PRR siRNA library screening technique to identify novel PRRs used by IECs in both inhibition and activation of inflammatory responses. Many of the PRRs identified in this screen were previously believed not to be expressed in IECs. Furthermore, the same study has led to the identification of the previously uncharacterised TLR10 as a functional inflammatory receptor of IECs. Further analysis revealed a similar role in macrophages where it was shown to respond to intracellular and motile pathogens such as Gram-positive L.monocytogenes and Gram negative Salmonella typhimurium. TLR10 expression in IECs was predominantly intracellular. This is likely in order to avoid inappropriate inflammatory activation through the recognition of commensal microbial antigens on the apical cell surface of IECs. Moreover, these results have revealed a more complex network of innate immune signalling mechanisms involved in both activating and inhibiting inflammatory responses in IECs than was previously believed. This contribution to our understanding of innate immune regulation in this region has several direct and indirect benefits. The identification of several novel PRRs involved in activating and inhibiting inflammation in the GI tract may be used as novel therapeutic targets in the treatment of disease; both for inducing tolerance and reducing inflammation, or indeed, as targets for adjuvant activation in the development of oral vaccines against pathogenic attack.

Expressão gênica dos receptores toll-símele e sua relação com citocinas potencialmente envolvidas em lesão de reperfusão durante a fase inicial do transplante pulmonar em humanos

Introdução: Imunidade inata é a primeira linha de defesa do hospedeiro contra microorganismos invasores, a qual é mediada por moléculas específicas que reconhecem patógenos, chamadas receptores toll-símile (TLRs). Os TLRs são também capazes de reconhecer ligantes endógenos, tais como conteúdos de células necróticas e proteínas de choque térmico (HSP), resultando na produção de citocinas e ativação do sistema imune adquirido. A função exata dos TLRs ainda é pouco entendida em transplante de órgãos. No entanto, tem sido sugerido que eles podem estar envolvidos na rejeição aguda ou crônica e atuar na resposta do enxerto a lesão por isquemia e reperfusão. Objetivo: Examinar as alterações na expressão gênica dos TLRs durante a fase inicial do transplante pulmonar em humanos e sua relação com citocinas potencialmente envolvidas na lesão por isquemia e reperfusão em transplante de órgãos. Métodos: Foram analisadas biópsias pulmonares de 14 pacientes submetidos a transplante pulmonar (LTx). Estas amostras foram coletadas no final do período de isquemia fria (TIF, n=14), no final do período de isquemia quente (TIQ, n=13),1 hora (n=12) e 2 horas (n=8) após a reperfusão do enxerto. RNA total foi isolado a partir de tecido pulmonar e os níveis de RNA mensageiro (mRNA) dos TLRs (1-10) bem como citocinas (IL-8, IL-6, IL-10, IFN-γ, IL-1β) e proteína de choque térmico 70 (HSP70) foram medidos por reação em cadeia pela polimerase em tempo real. Resultados: Foi detectada a expressão de mRNA de todos TLRs em tecido pulmonar. Nas amostras no TIF, os níveis de mRNA dos TLRs apresentaram-se com diferentes expressões gênicas. Os níveis de expressão dos TLRs, com exceção para o TLR3, estavam altamente correlacionados entre si no TIF e com os níveis de mRNA de IFN-γ, IL-10 e IL-1β e menos significativamente com os níveis de IL-6 e IL-8. Houve diminuição dos níveis de mRNA na grande maioria dos TLRs após reperfusão, o que foi diferente para a maioria das citocinas e HSP70, que apresentaram tendência a aumentar após transplante. A expressão gênica de TLR4 apresentou-se correlacionada com os níveis de IL-8 e IL-1β antes e após transplante (P<0.05). Pulmões de doadores que foram intubados por períodos acima de 72 horas (n=5) apresentaram níveis mais elevados de TLR2 e TLR10 (P<0.05). Conclusão: Pela primeira vez, foi demonstrado que a expressão dos TLRs altera-se durante o período de isquemia e reperfusão em transplante pulmonar em humanos. O tempo de intubação dos doadores pulmonares pode influenciar a expressão de receptores Toll-símile específicos. A correlação entre TLR4 e IL-8/IL-1β sugere que os TLRs pulmonares podem ter alguma função na resposta precoce do enxerto.