Analyses of the differential modulation of the immune response of dendritic cells and T cells by colitogenic and non-colitogenic bacteria

Abstract

The cause of inflammatory bowel disease (IBD) is multifactorial and depends on genetic predisposition, environment (e.g. microflora) and the immune defense of the individual. IL-2-/- mice kept under germfree conditions develop no IBD. However a conventional microflora triggers colitis development. Therefore, IL-2-/- mice can be used as a model to study the role of the microflora for colitis development. The monocolonization of IL-2-/- mice with E. coli mpk triggers IBD while the co-colonization with B .vulgatus prevents IBD development. It was analyzed, how commensal bacteria might contribute to IBD development or prevention. The stimulation of DC with E. coli mpk in vitro leads to maturation of DC associated with increased IL-12, TNF-a IL-10 und IL-6 secretion. E. coli mpk infected DC, pulsed with ovalbumin antigen trigger a strong T cell activation with high level of IFN-g secretion as a marker for Th1 polarization in vitro, which is in line with the association of Th1 polarization and colitis development in vivo. B. vulgatus triggers in DC only the secretion of IL-6 and Th1 polarization does not occur after antigen specific T cell stimulation. Moreover the prestimulation of E. coli mpk treated DC with supernatants derived from B. vulgatus treated DC or IL-6 alone prevents the E. coli mpk triggered maturation of DC in line with a reduced level of cytokine secretion and Th1 polarization. Therefore we postulate that B. vulgautus induced IL-6 secretion transits DC in a semimature inert state. Such DC might no longer be activated by E. coli mpk in vivo which may lead to a reduced migration of mature DC into lymph nodes, less subsequent T cell activation and therefore less colitis development. Further in vitro and in vivo studies are necessary to support this hypothesis. E. coli Nissle monocolonized mice which develop no colitis show a higher gene expression of adipocyte specific genes such as adipsin and adiponection in the colon compared to E. coli mpk colonized IL-2-/- mice. Immunohistochemical analyses showed adipsin expression in epithelial cells. In an in vitro model system it was analysed whether adipocyte precursor can be converted in mature adipocytes by E. coli Nissle. This was not the case. Further studies are necessary to investigate whether there is a functional association between E. coli Nissle induced adipsin expression and prevention of colitis development.

Die Ursache chronisch entzündlicher Darmerkrankungen (CED) ist multifaktoriell und hängt von der genetischen Prädisposition, Umweltfaktoren (wie z.B. der individiuellen Mikroflora im Darm) und der Immunabwehr des Einzelnen ab. IL-2-/- Mäuse, die keimfrei gehalten, keine CED entwickeln, aber bei Besiedlung mit einer konventionellen Mikroflora eine Kolitis entwickeln, stellen ein Mausmodellsystem zur Untersuchung der Rolle der Mikroflora für die Entwicklung einer CED dar. So führt die Monobesiedlung von IL-2-/- Mäusen mit E. coli mpk zur Entwicklung einer Kolitis während die Kokolonisierung mit B. vulgatus mpk, die Kolitisentwicklung verhindert. Es sollte untersucht werden, wie kommensale Bakterien zur Entstehung oder Verhinderung der Kolitisentwicklung beitragen könnten. Die Inkubation von dendritischen Zellen (DC) mit E. coli mpk in vitro führt zur Maturation von DC einhergehend mit der Sekretion von IL-12, TNF-a IL-10 und IL-6. E. coli mpk infizierte DC, die mit Ovalbuminantigen beladen wurden bewirken eine Antigen spezifische T Zellaktivierung. Eine hohe IFN-g Sekretion der T Zellen deutet hier auf eine Th1 Polarisierung in vitro hin, die mit der Colitisentwicklung in vivo in Einklang steht. B. vulgatus induziert in DC nur die Sekretion von IL-6 und verursacht nach antigen spezifischer T-Zellstimulation keine Th1 Polarisierung. Darüber hinaus verhindert die Prästimulation von E. coli mpk infizierten DC mit Überstanden von B. vulgatus stimulierten BMDC oder IL-6 alleine, sowohl die E. coli mpk vermittelte Maturation der DC einhergehend mit einer verringerten Zytokinsekretion und eine Th1 Polarisierung. IL-6 überführt die DC in einen semimaturen / intermediaten Phänotyp. Daher wird postuliert, dass die B. vulgatus induzierte IL-6 Sekretion DC in einen semimaturen/ inerten Zustand überführen könnte, sodass diese DCs in vivo nicht mehr durch E. coli mpk aktiviert werden können und somit die Migration maturierter DC in die Lymphknoten als auch die nachfolgenden T-Zellaktivierung beeinträchtigt werden könnte. Weitere in vivo und in vitro Studien sind notwendig, um diese Hypothese zu untermauern. Die Besiedlung von IL-2-/- Mäusen mit dem nicht colitogenen E. coli Nissle führt im Kolon zu einer höheren Genexpression von Adipocyten spezifischer Gene wie Adipsin und Adiponectin im Vergleich zu E. coli mpk besiedelten IL-2-/- Mäusen. Immunohistochemische Untersuchungen des Kolons von E. coli Nissle IL-2-/- Mäusen zeigten eine Expression von Adipsin in Epithelzellen des Darmes. In einem in vitro Modellsystem mit Adipozytenvorläuferzellen wurde untersucht, ob E. coli Nissle die Reifung zu Adipocyten bewirken kann. Dies ist nicht der Fall. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um zu überprüfen ob es einen funktionellen Zusammenhang zwischen E. coli Nissle induzierter Adipsinexpression und der Verhinderung einer Kolitisentwicklung gibt.