Mastzellen als Verstärker wichtiger Effektorfunktionen neutrophiler Granulozyten

Mastzellen sind an der Entstehung und Regulation von Entzündungsreaktionen unterschiedlicher Genese beteiligt und leisten somit auch innerhalb der angeborenen Immunität einen wichtigen Beitrag zur Pathogenabwehr. Mastzellen sind jedoch auch in entzündliche Prozesse involviert, welche chronische Erkrankungen auslösen oder verstärken können. Zentral ist hierbei ihre Fähigkeit, durch Produktion inflammatorischer Mediatoren die lokalen Blutgefäße zu aktivieren und somit rasch neutrophile Granulozyten zum Entzündungsort zu rekrutieren. Über eine direkte Interaktion zwischen Mastzellen und Neutrophilen ist bisher jedoch wenig bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass aktivierte Mastzellen essentielle Effektorfunktionen neutrophiler Granulozyten verstärken. So erhöhen Mastzellen den Aktivierungsstatus von Neutrophilen, was anhand der Modulation der Aktivierungsmarker CD11b und CD62L auf der Zelloberfläche von Neutrophilen demonstriert wurde. Die Phagozytoseaktivität von Neutrophilen wird in Anwesenheit aktivierter Mastzellen enorm gesteigert. Dies wird hauptsächlich durch Mastzell-produziertes TNF und GM-CSF vermittelt, wie in Experimenten mit Mastzellen aus TNF- und GM-CSF-defizienten Mäusen gezeigt wurde. Darüber hinaus wird die Produktion reaktiver Sauerstoffradikale von Neutrophilen in Gegenwart aktivierter Mastzellen erhöht. Dieser Effekt wird hauptsächlich durch GM-CSF der Mastzellen induziert, während TNF nur einen geringen Einfluss hat. Weiterhin zeigten in vitro Experimente, dass die Anwesenheit aktivierter Mastzellen die Lebensdauer von Neutrophilen erhöht. Die verminderte Apoptose von Neutrophilen wird einzig durch GM-CSF bewirkt. rnZur Validierung der in vitro Studien wurden in vivo Untersuchungen zur Mastzell-abhängigen Phagozytoseaktivität von Neutrophilen durchgeführt. Mit Hilfe des Modells einer LPS-induzierten akuten Atemwegsentzündung in Mastzell-defizienten und Wildtyp-Tieren des kongenen Stammes konnte bestätigt werden, dass Mastzellen auch in vivo die Phagozytosefunktion von Neutrophilen verstärken. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen somit, dass Mastzellen in Entzündungsprozessen auch eine Rolle als lokaler Verstärker von Neutrophilenfunktionen einnehmen können. rn

Zelluläre und molekulare Mechanismen der angeborenen Immunität

Die myeloide Zelllinie MUTZ-3 konnte als geeignetes Modellsystem zur Charakterisierung der TREM-1-Signaltransduktion etabliert werden, da diese TREM-1 und dessen essentielles Adaptermoleküle DAP12 funktional exprimiert. Übereinstimmend mit bisherigen Daten wurden die Kinasen PI3K und p38-MAPK als wichtige Regulatoren in der Signalweiterleitung nach TREM-1-Aktivierung identifiziert, wobei sich einige Unterschiede in der exakten Signalhierarchie zwischen monozytären und granulozytären Zellen ergaben. So erfolgt die Aktivierung von PI3K und p38-MAPK in PMN unabhängig voneinander und in monozytären Zellen findet die Aktivierung von p38-MAPK vor der Akt-Phosphorylierung statt und ist für Letztere notwendig. Zudem ist die Ca2+-Mobilisierung in PMN nur von PI3K abhängig und in monozytären Zellen von PI3K und p38-MAPK. Bei der durch TLR- oder NLR-Koligation gesteigerten TREM-1-Aktivierung sind PI3K und p38-MAPK ebenfalls zentrale Regulatoren. Es ergaben sich ebenfalls Unterschiede in der exakten TREM-1-Signaltransduktion.rnrnEin Mausmodell für invasive Aspergillose (IA) wurde erfolgreich etabliert, wobei die wichtige Rolle der PMN bei der Abwehr von Pilzinfektionen durch deren Depletion mit unterschiedlichen Antikörpern belegt wurde. Für das Abtöten von A. fumigatus-Konidien sind oxidative und nicht-oxidative PMN-Effektormechanismen notwendig. Dabei konnte die essentielle Rolle der oxidativen PMN-Effektorfunktionen anhand NADPH-Oxidase-defizienter p47phox-/- und gp91phox-/- Mäuse für das Überleben von Pilzinfektionen gezeigt werden. Dagegen war die Infektion von Neutrophiler Elastase defizienter ELANE Mäuse nicht letal. Dies deutet darauf hin, dass diese als prototypische Serinprotease und wichtiger Bestandteil der NET-Formation nicht essentiell für das Überleben von IA ist oder durch andere, nicht-oxidative Effektormechanismen kompensiert werden kann. Keinen Einfluss auf die IA hatte die Depletion von Arginin mittels ADI-PEG, da weder das Überleben der Mäuse noch das Abtöten der Pilzkonidien beeinflusst wurde. Außerdem wurden keine Veränderung in der Einwanderung und Aktivierung von PMN nach Infektion quantifiziert. Dagegen induzierte die Defizienz in ADAMTS13 (ADAMTS13-/- Mäuse) eine verminderte Rekrutierung von PMN, einhergehend mit erhöhter Mortalität, vermindertem Abtöten von A. fumigatus-Konidien und erhöhter Schädigung der Lunge bei IA. Da in vitro keine generellen oder pilzspezifischen Defekte der PMN quantifiziert wurden, muss ADAMTS13 die Einwanderung der PMN beeinflussen. Normalerweise spaltet die Protease ADAMTS13 den von-Willebrand-Faktor (vWF), der die Quervernetzung und das Anhaften von Blutplättchen an beschädigte Gefäßwände steuert. Ob und wie ADAMTS13 oder der vWF die verminderte PMN-Einwanderung bei Pilzinfektionen verursacht, muss weiter untersucht werden.rnrnZusammenfassend verbessern die erhaltenen Daten für eine zellspezifische TREM-1-Signaltransduktion, ein von oxidativen und nicht-oxidativen PMN-Effektorfunktionen abhängiges sowie Arginin-unabhängiges Abtöten vom Pilz A. fumigatus als auch der Einfluss von ADAMTS13 und vWF bei der Rekrutierung von PMN nach A. fumigatus-Infektion unser Verständnis der angeborenen Immunität. Diese Erkenntnisse dienen der zukünftigen Entwicklung von Therapien zur Behandlung von schweren Entzündungsreaktionen wie Aspergillose und Sepsis.

Untersuchungen der Aktivierungs- und Effektorwege von T-Helferzellen in der Pathogenese vaskulärer inflammatorischer Prozesse

T-Zellen sind an der Induktion und Erhaltung chronischer Entzündungen maßgeblich beteiligt. Im Bereich kardiovaskulärer Erkrankungen konnte eine Beteiligung von T-Zellen an der Entstehung von Ateriosklerose, Bluthochdruck und arterieller Thrombose aufgezeigt werden. Allerdings sind sowohl die Mechanismen ihrer Aktivierung, als auch die für die Entstehung und Persistenz vaskulärer Entzündung relevanten Effektorfunktionen weitgehend unbekannt. rnIn der vorliegenden Arbeit konnte erstmals in zwei Mausmodellen gezeigt werden, dass sowohl die dem Bluthochdruck zugrundeliegende Entzündung der Arterienwände als auch die durch venöse Thrombose ausgelöste Entzündung der Venenwand zu einer selektiven Einwanderung von CD4+ und CD8+ T-Zellen mit einem Effektor-Gedächtniszell-Phänotyp führt. Mit Hilfe von Nur77-GFP-transgenen Mäusen konnte gezeigt werden, dass die in die entzündeten Gefäßwände eingewanderten T-Zellen lokal T-Zell-Rezeptor-unabhängig aktiviert werden.rnBluthochdruck und venöse Thrombose sind durch eine verstärkte Expression eines ähnlichen Musters an Zytokinen und Chemokinen in den Gefäßwänden begleitet, das in rekombinanter Form in einem Teil der Effektor-T-Gedächtniszellen die Bildung von IFN-γ auslöst. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse weisen erstmals eine Beteiligung von T-Zellen an der Entzündung der Venenwand im Rahmen einer venösen Thrombose nach. Des Weiteren konnten erstmals Hinweise darauf gefunden werden, dass T-Zellen Gefäßentzündungen durch eine Zytokin-induzierte IFN-γ-Bildung erhalten und verstärken.rn

Chaperone BiP: Master regulator of the unfolded protein response (UPR) and its role in regulation of angiogenesis

Verschiedene Krankheiten gehen mit einer fehlerhaften Vaskularisierung einher. Allerdings ist der Erfolg der derzeitig vorhandenen Therapieansätze, die sich z.B. auf VEGF fokussieren, beschränkt. Aus diesem Grund ist es wichtig, neue Strategien zur Regulation der Angiogenese zu entwickeln. Hierbei stehen neue Signaltransduktions-wege im Fokus, die sich als vielversprechend erweisen, um Angiogenese zu fördern oder zu inhibieren. Die Blutgefäßneubildung ist ein hochregulierter Prozess, der mit einer hohen Proteinsyntheserate verknüpft ist. Die Angiogenese wurde bereits mit dem ER-Stress Signaltransduktionsweg, der Unfolded Protein Response (UPR), in Verbindung gebracht (Zeng et al., 2013; Bouvier et al., 2012). Eine im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführte histologische Untersuchung konnte eine Fehlregulierung der Expression von UPR beteiligten Proteinen in vivo unter pathologischen Bedingungen gezeigt werden. Bemerkenswerter Weise war BiP, der Hauptsensor der UPR, in Endothelzellen von Angiosarkomen sehr stark exprimiert. In in vitro Experimenten wurde gezeigt, dass das Herunterregulieren von BiP mittels RNAi Einfluss auf die inflammatorische Antwort und die Bildung angiogener Strukturen in Endothelzellen nimmt. Das Herunterregulieren des Proteins BiP verstärkte die inflammatorische Antwort von HUVEC, was sich in einer gesteigerten Bildung von IL-8 und ICAM-1 äußerte und wurde auf die Aktivierung der UPR durch die verringerte Menge an BiP zurückgeführt. Der Phänotyp BiP-herunterregulierter Zellen entsprach dem untransfizierter Zellen, welcher durch das Cytoskelett und die Expression des endothelspezifischen Markers CD31 charakterisiert wurde. Im Gegensatz dazu änderte sich der Grad der Glykosylierung in transfizierten Zellen. Im Hinblick auf die Blutgefäßbildung, zeigten sich eine gehemmte Migration und eine inhibierte Bildung Gefäß-ähnlicher Strukturen in BiP-herunterregulierten Zellen. In diesen Zellen war die Expression von KDR auffallend stark inhibiert, wohingegen die Flt-1 Expression sich als gleichbleibend herausstellte, was ebenfalls auf die Aktivierung der UPR zurückgeführt werden konnte. Alternativ wäre der reduzierte Level des Proteins BiP im Hinblick auf die Funktion als Helferenzym in der Proteinfaltung eine mögliche Erklärung für die gehemmte Expression von KDR. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass stabile Spiegel von BiP die Regulierung der Angiogenese durch die Kontrolle der UPR in physiologischen Prozessen unterstützen könnte. Eine Fehlregulierung von BiP durch Unterdrückung der UPR, wie z.B. in malignen Tumoren, könnte Tumorzellen und beteiligten Endothelzellen einen Vorteil verschaffen und zu einer gestörten Vaskularisierung führen. Somit stellt das Stresssensorprotein BiP und die UPR einen potentiellen Angriffspunkt für die Regulation der Angiogenese dar.

Oxidative stress and inflammation response after nanoparticle exposure: differences between human lung cell monocultures and an advanced three-dimensional model of the human epithelial airways

Combustion-derived and manufactured nanoparticles (NPs) are known to provoke oxidative stress and inflammatory responses in human lung cells; therefore, they play an important role during the development of adverse health effects. As the lungs are composed of more than 40 different cell types, it is of particular interest to perform toxicological studies with co-cultures systems, rather than with monocultures of only one cell type, to gain a better understanding of complex cellular reactions upon exposure to toxic substances. Monocultures of A549 human epithelial lung cells, human monocyte-derived macrophages and monocyte-derived dendritic cells (MDDCs) as well as triple cell co-cultures consisting of all three cell types were exposed to combustion-derived NPs (diesel exhaust particles) and to manufactured NPs (titanium dioxide and single-walled carbon nanotubes). The penetration of particles into cells was analysed by transmission electron microscopy. The amount of intracellular reactive oxygen species (ROS), the total antioxidant capacity (TAC) and the production of tumour necrosis factor (TNF)-alpha and interleukin (IL)-8 were quantified. The results of the monocultures were summed with an adjustment for the number of each single cell type in the triple cell co-culture. All three particle types were found in all cell and culture types. The production of ROS was induced by all particle types in all cell cultures except in monocultures of MDDCs. The TAC and the (pro-)inflammatory reactions were not statistically significantly increased by particle exposure in any of the cell cultures. Interestingly, in the triple cell co-cultures, the TAC and IL-8 concentrations were lower and the TNF-alpha concentrations were higher than the expected values calculated from the monocultures. The interplay of different lung cell types seems to substantially modulate the oxidative stress and the inflammatory responses after NP exposure.

Organ-specific eosinophilic disorders of the skin, lung, and gastrointestinal tract

Eosinophils are multifunctional leukocytes that increase in various tissues in patients with a variety of disorders. Locally, they can be involved in the initiation and propagation of diverse inflammatory responses. In this review the clinical association of eosinophils with diseases of the skin, lung, and gastrointestinal tract is summarized. An approach to determining the causal role of eosinophils in these diseases is presented. Recent findings concerning molecular diagnosis, cause, and treatment are discussed.

CLEC5A (MDL-1) is a novel PU.1 transcriptional target during myeloid differentiation

C-type lectin domain family 5, member A (CLEC5A), also known as myeloid DNAX activation protein 12 (DAP12)-associating lectin-1 (MDL-1), is a cell surface receptor strongly associated with the activation and differentiation of myeloid cells. CLEC5A associates with its adaptor protein DAP12 to activate a signaling cascade resulting in activation of downstream kinases in inflammatory responses. Currently, little is known about the transcriptional regulation of CLEC5A. We identified CLEC5A as one of the most highly induced genes in a microarray gene profiling experiment of PU.1 restored myeloid PU.1-null cells. We further report that CLEC5A expression is significantly reduced in several myeloid differentiation models upon PU.1 inhibition during monocyte/macrophage or granulocyte differentiation. In addition, CLEC5A mRNA expression was significantly lower in primary acute myeloid leukemia (AML) patient samples than in macrophages and granulocytes from healthy donors. Moreover, we found activation of a CLEC5A promoter reporter by PU.1 as well as in vivo binding of PU.1 to the CLEC5A promoter. Our findings indicate that CLEC5A expression in monocyte/macrophage and granulocytes is regulated by PU.1.

Glycomic analysis of human mast cells, eosinophils and basophils

In allergic diseases such as asthma, eosinophils, basophils and mast cells, through release of preformed and newly generated mediators, granule proteins and cytokines, are recognized as key effector cells. While their surface protein phenotypes, mediator release profiles, ontogeny, cell trafficking and genomes have been generally explored and compared, there has yet to be any thorough analysis and comparison of their glycomes. Such studies are critical to understand the contribution of carbohydrates to the induction and regulation of allergic inflammatory responses and are now possible using improved technologies for detecting and characterizing cell-derived glycans. We thus report here the application of high-sensitivity mass spectrometric-based glycomics methodologies to the analysis of N-linked glycans derived from isolated populations of human mast cells, eosinophils and basophils. The samples were subjected to matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) time-of-flight (TOF) screening analyses and MALDI-TOF/TOF sequencing studies. Results reveal substantive quantities of terminal N-acetylglucosamine containing structures in both the eosinophil and the basophil samples, whereas mast cells display greater relative quantities of sialylated terminal epitopes. For the first time, we characterize the cell surface glycan structures of principal allergic effector cells, which by interaction with glycan-binding proteins (e.g. lectins) have the possibility to dictate cellular functions, and might thus have important implications for the pathogenesis of inflammatory and allergic diseases.

Inflammation-associated autophagy-related programmed necrotic death of human neutrophils characterized by organelle fusion events

The most common form of neutrophil death, under both physiological and inflammatory conditions, is apoptosis. In this study, we report a novel form of programmed necrotic cell death, associated with cytoplasmic organelle fusion events, that occurs in neutrophils exposed to GM-CSF and other inflammatory cytokines upon ligation of CD44. Strikingly, this type of neutrophil death requires PI3K activation, a signaling event usually involved in cellular survival pathways. In the death pathway reported in this study, PI3K is required for the generation of reactive oxygen species, which somehow trigger the generation of large cytoplasmic vacuoles, generated by the fusion of CD44-containing endosomes with autophagosomes and secondary, but not primary, granules. Neutrophils demonstrating vacuolization undergo rapid cell death that depends on receptor-interacting protein 1 kinase activity and papain family protease(s), but not caspases, that are most likely activated and released, respectively, during or as a consequence of organelle fusion. Vacuolized neutrophils are present in infectious and autoimmune diseases under in vivo conditions. Moreover, isolated neutrophils from such patients are highly sensitive toward CD44-mediated PI3K activation, reactive oxygen species production, and cell death, suggesting that the newly described autophagy-related form of programmed neutrophil necrosis plays an important role in inflammatory responses.

HVEM signalling promotes colitis

Background Tumor necrosis factor super family (TNFSF) members regulate important processes involved in cell proliferation, survival and differentiation and are therefore crucial for the balance between homeostasis and inflammatory responses. Several members of the TNFSF are closely associated with inflammatory bowel disease (IBD). Thus, they represent interesting new targets for therapeutic treatment of IBD. Methodology/Principal Findings We have used mice deficient in TNFSF member HVEM in experimental models of IBD to investigate its role in the disease process. Two models of IBD were employed: i) chemical-induced colitis primarily mediated by innate immune cells; and ii) colitis initiated by CD4+CD45RBhigh T cells following their transfer into immuno-deficient RAG1-/- hosts. In both models of disease the absence of HVEM resulted in a significant reduction in colitis and inflammatory cytokine production. Conclusions These data show that HVEM stimulatory signals promote experimental colitis driven by innate or adaptive immune cells.

The formyl peptide receptor like-1 and scavenger receptor MARCO are involved in glial cell activation in bacterial meningitis

Recent studies have suggested that the scavenger receptor MARCO (macrophage receptor with collagenous structure) mediates activation of the immune response in bacterial infection of the central nervous system (CNS). The chemotactic G-protein-coupled receptor (GPCR) formyl-peptide-receptor like-1 (FPRL1) plays an essential role in the inflammatory responses of host defence mechanisms and neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease (AD). Expression of the antimicrobial peptide cathelicidin CRAMP/LL-37 is up-regulated in bacterial meningitis, but the mechanisms underlying CRAMP expression are far from clear.

The airway epithelium: soldier in the fight against respiratory viruses

The airway epithelium acts as a frontline defense against respiratory viruses, not only as a physical barrier and through the mucociliary apparatus but also through its immunological functions. It initiates multiple innate and adaptive immune mechanisms which are crucial for efficient antiviral responses. The interaction between respiratory viruses and airway epithelial cells results in production of antiviral substances, including type I and III interferons, lactoferrin, β-defensins, and nitric oxide, and also in production of cytokines and chemokines, which recruit inflammatory cells and influence adaptive immunity. These defense mechanisms usually result in rapid virus clearance. However, respiratory viruses elaborate strategies to evade antiviral mechanisms and immune responses. They may disrupt epithelial integrity through cytotoxic effects, increasing paracellular permeability and damaging epithelial repair mechanisms. In addition, they can interfere with immune responses by blocking interferon pathways and by subverting protective inflammatory responses toward detrimental ones. Finally, by inducing overt mucus secretion and mucostasis and by paving the way for bacterial infections, they favor lung damage and further impair host antiviral mechanisms.

Structural modification of DNA--a therapeutic option in SLE?

Systemic lupus erythematosus (SLE) is an autoimmune disease that affects multiple organs, with glomerulonephritis representing a frequent and serious manifestation. SLE is characterized by the presence of various autoantibodies, including anti-DNA antibodies that occur in approximately 70% of patients with SLE and which contribute to disease pathogenesis. Consequently, immunosuppressive therapies are applied in the treatment of SLE to reduce autoantibody levels. However, increasing evidence suggests that DNA--especially double--stranded DNA-constitutes an important pathogenic factor that is able to activate inflammatory responses by itself in autoimmune diseases. Therefore, modifying the structure of DNA to reduce its pathogenicity might be a more targeted approach for the treatment of SLE than immunosuppression. This article presents information in support of this strategy, and discusses the potential methods of DNA structure manipulation--in light of data obtained from mouse models of SLE--including topoisomerase I inhibition, administration of DNase I, or modification of histones using heparin or histone deacetylase inhibitors.

Comparison of genomic and proteomic data in recurrent airway obstruction affected horses using Ingenuity Pathway Analysis(R)

BACKGROUND: Recurrent airway obstruction (RAO) is a severe chronic respiratory disease affecting horses worldwide, though mostly in the Northern hemisphere. Environmental as well as genetic factors strongly influence the course and prognosis of the disease. Research has been focused on characterization of immunologic factors contributing to inflammatory responses, on genetic linkage analysis, and, more recently, on proteomic analysis of airway secretions from affected horses. The goal of this study was to investigate the interactions between eight candidate genes previously identified in a genetic linkage study and proteins expressed in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) collected from healthy and RAO-affected horses. The analysis was carried out with Ingenuity Pathway Analysis(R) bioinformatics software. RESULTS: The gene with the greatest number of indirect interactions with the set of proteins identified is Interleukin 4 Receptor (IL-4R), whose protein has also been detected in BALF. Interleukin 21 receptor and chemokine (C-C motif) ligand 24 also showed a large number of interactions with the group of detected proteins. Protein products of other genes like that of SOCS5, revealed direct interactions with the IL-4R protein. The interacting proteins NOD2, RPS6KA5 and FOXP3 found in several pathways are reported regulators of the NFkappaB pathway. CONCLUSIONS: The pathways generated with IL-4R highlight possible important intracellular signaling cascades implicating, for instance, NFkappaB. Furthermore, the proposed interaction between SOCS5 and IL-4R could explain how different genes can lead to identical clinical RAO phenotypes, as observed in two Swiss Warmblood half sibling families because these proteins interact upstream of an important cascade where they may act as a functional unit.

Cathepsin D primes caspase-8 activation by multiple intra-chain proteolysis

During the resolution of inflammatory responses, neutrophils rapidly undergo apoptosis. A direct and fast activation of caspase-8 by cathepsin D was shown to be crucial in the initial steps of neutrophil apoptosis. Nevertheless, the activation mechanism of caspase-8 remains unclear. Here, by using site-specific mutants of caspase-8, we show that both cathepsin D-mediated proteolysis and homodimerization of caspase-8 are necessary to generate an active caspase-8. At acidic pH, cathepsin D specifically cleaved caspase-8 but not the initiator caspase-9 or -10 and significantly increased caspase-8 activity in dimerizing conditions. These events were completely abolished by pepstatin A, a pharmacological inhibitor of cathepsin D. The cathepsin D intra-chain proteolysis greatly stabilized the active site of caspase-8. Moreover, the main caspase-8 fragment generated by cathepsin D cleavage could be affinity-labeled with the active site probe biotin-VAD-fluoromethyl ketone, suggesting that this fragment is enzymatically active. Importantly, in an in vitro cell-free assay, the addition of recombinant human caspase-8 protein, pre-cleaved by cathepsin D, was followed by caspase-3 activation. Our data therefore indicate that cathepsin D is able to initiate the caspase cascade by direct activation of caspase-8. As cathepsin D is ubiquitously expressed, this may represent a general mechanism to induce apoptosis in a variety of immune and nonimmune cells.