Influence of cigarette smoking on immune response of PBMCs to inactivated bacteria and on wound healing

Abstract

Es gilt als gesichert, dass Rauchen verschiedene destruktive Auswirkungen auf den menschlichen Körper hat. Infektionen und Wundheilungsstörungen sind zwei häufige klinische Komplikationen, die scheinbar durch das Rauchen begünstigt werden. Entzündungsprozesse spielen eine Schlüsselrolle in der physiologischen Gewebewiederherstellung. Des Weiteren sind sie elementar für die Immunabwehr gegenüber mikrobiellen Infektionen. Rauchen verändert diese Entzündungsprozesse und verändert somit die angeborenen und erworbenen Immunreaktion. Bei Rauchern treten erhöht Infektionen und Wundheilungsstörungen auf. Daher ist ein umfassendes Verständnis der Pathologie, wie das Rauchen das Immunsystem und die Wundheilung negativ beeinflusst, aus klinischer Sicht essentiell, um zukünftige Behandlungsstrategien zu definieren. Deshalb war das Ziel der vorliegenden Studie, zunächst Mechanismen mittels derer das Rauchen auf das Immunsystem und die Geweberegeneration Einfluss nimmt, zu untersuchen. Hierzu wurde Blut von ‚gesunden‘ Rauchern und Nichtrauchern entnommen und die PBMCs (=Peripheral blood mononuclear cells/ dt. mononukleäre Zellen des peripheren Blutes) isoliert und kultiviert. Diese PBMCs wurden dann mit hitzeinaktivierten typischen Krankenhauskeimen (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis) inkubiert. Anschließend wurde der Überstand mittels verschiedener ELISAs, Zytokin-Arrays und Migrationsarrays untersucht. Unsere Ergebnisse der Zytokin-Arrays zeigen eindeutig, dass PBMC-Kulturüberstande von Rauchern höhere Interleukin (IL)-4 und IL-10 Spiegel sezernieren, als die von Nichtrauchern. Nach Inkubation mit den vier inaktivierten Bakterienarten produzierten die PBMCs von Nichtrauchern darüber hinaus signifikant erhöhte Konzentrationen an IL-1β und Tumornekrosefaktor (TNF)-α als die der Raucher. PBMCs von Nichtrauchern die durch inaktivierte Bakterien stimuliert wurden, sezernierten deutlich höhere IL-1 β und TNF- α Spiegel als PBMCs von Nichtrauchern, die nicht von inaktivierten Bakterien stimuliert wurden. Allerdings produzierten PBMCs von Rauchern nicht signifikant mehr von diesen beiden Zytokinen, wenn sie von inaktivierten Bakterien stimuliert wurden, als PBMCs von Rauchern, die nicht von Bakterien stimuliert wurden. Im Migrationsassay war die Migrationsrate der positiven Kontrollgruppe (mit IL-4) die niedrigste aller Gruppen und die Migrationsrate der durch inaktivierte Bakterien stimulierte Rauchergruppe niedriger als die der Nichtraucher. Schließlich kann Rauchen allein die proinflammatorischen Zytokine herunterregulieren und entzündungshemmende Zytokine aufheben. Obwohl inaktivierte Bakterien die Freisetzung von mehr Zytokinen von PBMCs sowohl bei Rauchern als auch bei Nichtrauchern fördern können, besteht die Reaktion von PBMCs auf inaktivierte Bakterien darin, den Ausdruck von Zytokinen (entzündungshemmende Zytokine und pro-inflammatorische Zytokine) zu erhöhen, Rauchen kann diese Reaktion hemmen. IL-4 kann die Migration von HaCaT-Zellen hemmen und die Wundheilung beeinträchtigen. Man sollte jedoch bedenken, dass es noch eine Vielzahl weiterer pathologischer Mechanismen gibt, die durch das Rauchen, wie die Immunität und die Geweberegeneration, beeinflussen. Diese müssen jedoch noch weiter identifiziert werden.

Infection and delayed wound healing are two common complications in the clinic, which are more likely to happen due to smoking. Inflammation plays a key role in natural tissue repair, as well as being elemental to the host’s defense against microbial infection. Smoking induces inflammation and changes the congenital and acquired immune responses, which contributes to the increased occurrence of infection and poor wound healing. Therefore, comprehensive understanding of how smoking influences immunity along with wound healing is clinically essential for prevention and treatment. The purpose of our study is to inquire as to the mechanism by which smoking affects immunity and wound repair. Blood was taken from healthy non-smoking and smoking donors, and the PBMCs were isolated. The supernatant which was used as samples in ELISA, cytokine array and migration assay, was acquired after the PBMCs were first isolated and then incubated with four types of inactivated bacteria (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis) for 24 h. The cytokine array showed that the levels of IL-4 and IL-10 were higher in the supernatant from smokers’ PBMCs than those in the supernatant from non-smokers’ PBMCs. Nonsmoking PBMCs with inactivated bacteria exposure produced significantly higher cytokines (e.g., IL-1β and TNF-α) than nonsmoking PBMCs without inactivated bacteria exposure. Whereas, smoking PBMCs with inactivated bacteria exposure didn’t exhibit this trend. As for the migration assay, the migration rate of the positive control group (with IL-4) was lowest among all the groups, and the migration rate in inactivated bacteria stimulated groups of smokers was lower than that of non-smokers. In conclusion, smoking alone seems to downregulate the pro-inflammatory cytokine response and upregulate the anti-inflammatory cytokine response. Though, inactivated bacteria could increase various cytokines released by PBMCs both in non-smokers and smokers, however, smoking seems to repress the reaction ability of PBMCs to inactivated bacteria to increase the expression of cytokines (both anti-inflammatory cytokines and pro-inflammatory cytokines). Moreover, our data suggest that IL-4 repressed the migration of the HaCaT cells and may, thus, impairing wound healing. Multiple mechanisms that may be responsible for the relationship among smoking, immunity and wound healing needs to be further investigated to guide clinical treatment and prevention.