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Characterization of th2 cells and relative chemokine receptor expression during distinct phases of allergic asthma
Mohammad Nael Elagabani
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Thomas Decker
DOI
10.25365/thesis.14568
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29424.23693.605863-3
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das immunologische Gedächtnis befähigt das Immunsystem eines Organismus schneller, effektiver und in erhöhtem Ausmaß auf ein Antigen zu reagieren, gegen welches es bereits Abwehrkräfte entwickeln musste. Wenn es zu einer Immunantwort kommt, können bereits auf die erste Aufnahme eines Antigens hin Gedächtnis-Lymphozyten im organischen Gewebe heranreifen, die diese Wiedererkennungsleistung vollbringen. Weithin als „memory“ Lymphozyten bekannt, können diese B-Zellen und T-Helferzellen einen wichtigen Bestandteil eines lebenslangen Schutzes gegen Pathogene bilden und daher lebenserhaltend bei wiederkehrenden Infektionen wirken. Andererseits können Gedächtnis-Zellen auch eine pathologische Rolle spielen. Das Immunsystem von atopischen Patienten besitzt die Tendenz auf den Kontakt mit ungefährlichen Stoffen aus der Umwelt, wie Pollen und Staub, Abwehrreaktionen zu zeigen. Diese Stoffe werden als Allergene bezeichnet, die im Falle von atopischen Individuen bei ausgedehntem Kontakt zur Anhäufung von CD4+ T-Helferzellen – also Th2-Zellen – führen, die spezifisch auf das Allergen reagieren und die Entwicklung von Allergien verursachen. Die von allergenspezifischen Th2-Zellen ausgelöste Reaktionskaskade beinhaltet u.a. einen Anstieg des IgE Antikörpertiters im Blut, sowie Eosinophilie im betroffenen Gewebe und umliegenden Interstitium.
Welche Auswirkungen der Kontakt mit Allergenen haben kann, ist sehr uneinheitlich und hängt vom Organ ab, das dem Allergen ausgesetzt wird, sowie von der Natur des allergenen Stoffes selbst. Patienten mit allergischem Asthma – abgekürzt AA – leiden unter wiederholten Phasen von Kurzatmigkeit, Husten und Keuchen, aufgrund schwerer chronischer Entzündungen der Atemwege, Überproduktion von Lungensekret, bronchialer Überempfindlichkeit und reversiblen Atemwegsverstopfungen. Die Rolle, die „memory” T-Helferzellen bei allergischen Reaktionen spielen, wurde durch die Beobachtung ersichtlich, dass die gezielte Vernichtung dieser Zellen die Entstehung der Anzeichen von Allergien verhindert, während ihre Übertragung in einen gesunden Wirt die Krankheit passiv einzuleiten vermag.
Verschiedene AA-Maus Modelle stehen zur Verfügung. Akute Entzündungsreaktionen der Lunge können durch das Aussetzen systemisch sensibilisierter Mäuse mit Antigenaerosol hervorgerufen werden. Diese Reaktionen ähneln den Symptomen von AA beim Menschen. Nach dem Abklingen der akuten Phase von AA, weisen die – im Folgendem – als „erholt“ bezeichneten Mäuse verglichen mit naiven Mäusen Zellinfiltrate in der Lunge vor. Des Weiteren sind erhöhte Werte der IgG1 und IgE Antikörpertiter des Blutserums bei Asthma-Mäusen zu verzeichnen. Bemerkenswerterweise gilt, dass diese Zellinfiltrate in den Lungen erholter Mäuse antigenspezifische Gedächtnis-Zellen enthalten. Frühere Arbeiten zeigten, dass diese Gedächtnis-Zellen das gesamte Leben der erholten Mäuse hindurch im Lungengewebe verbleiben und bei erneutem Aussetzen mit Antigenaerosol einen Rückfall mit Anzeichen allergischer Anfälle verursachen.
ZIELE Die generellen Eigenschaften einer immunologischen Reaktion werden bestimmt durch den Typus, der Zahl und der Position der involvierten Zellen. Es bestehen unzählige Hinweise darauf, dass chemotaktische Zytokine – genannt Chemokine – eine der Hauptrollen in der Rekrutierung, Positionierung und Aufrechterhaltung von migrierenden Immunzellen spielen. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu ermitteln, welchen Einfluss das Chemokin-System auf diese Funktionen bei antigen-spezifischen ‚memory’ Th2 Zellen im Lungengewebe in den unterschiedlichen Phasen von AA spielt. Weiterhin werden Expression einiger Gene ermittelt, die Hinweise auf Präsenz und Aktivierung von antigenspezifischen ‚memory’ Th2 Zellen in der Lunge geben, mit unter anderem Th2-spezifische Zytokine und T Zell Aktivierungsmarker. Zur Untersuchung der Aufrechterhaltung von antigenspezifischen ‚memory’ Th2 Zellen durch Chemokinrezeptoren wurde die Genexpression der Lunge von Mäusen nach der Erholung von einer akuten asthmatischen Reaktion und von gesunden unbehandelten Mäusen verglichen. Zur Bestimmung der Rolle erwähnter Gene während eines Rückfalls wurden Mäuse mit Allergenerfahrung vor und nach erneutem Aussetzen mit dem Allergen verglichen.
METHODEN Wir ermittelten Unterschiede in der Genexpressionen für Chemokinrezeptoren und ausgewählten Markern zwischen dem pulmonalen Transkriptom von gesunden (naiven) Mäusen, erholten Mäuse nach einer akuten asthmatischen Reaktion (recovered), sowie von Mäusen mit Allergenerfahrung nach dem erneutem Aussetzen des Antigens (re-challenged) mittels Echtzeit-PCR.
ERGEBNISSE Die variable TCR region α13 und die monogamen Rezeptoren CCR6 und CCR9 zeigten deutliche Genexpressionsunterschiede zwischen gesunden und erholten asthmatischen Mäusen. Während TCR α13 und CCR9 eine erhöhtes Genexpressionsniveau aufzeigten, war die Expression von CCR6 signifikant in asthmatischen Mäusen vermindert. Die Expressionsstufe aller typischen Th2 Zytokine Interleukin-4, -5 und -13 wurden nach Aussetzen mit dem Allergen immens gesteigert, während eine erhöhte Expression von Interferon γ nur innerhalb von 4 und 6 Stunden nach Re-exposition zu verzeichnen war. Die Gene einiger sekretierter Faktoren (TSLP, Interleukin-33 und Eotaxin-1 und -2), die asthmatische Anfälle fördern, wurden deutlich hochreguliert. Zeitgleich blieben spezifische Membranproteine von Th2 Zellen entweder unverändert (ST2) oder zeigten sogar verminderte Expression (CRTh2, Interleukin-25 Rezeptor). Die ermittelte Chemokinrezeptorexpression bis zu 14 Stunden nach Inhalation des Allergens wies auf das Bestehen diverser Regulationsmuster hin. CCR1 und CXCR2 wurden nach 2 Stunden eindeutig hochreguliert. CCR10 und CX3CR1 wurden ab der 4. Stunde nach Aufnahme des Allergens herunterreguliert. Wir beobachteten ebenfalls eine Gruppe von Genen, die nicht auf die Allergenexposition reagierten (CCR4, CCR7, CCR9, CXCR1 and CXCR6).
SCHLUSSFOLGERUNGEN In der Gesamtheit der untersuchten RNA Expression der Lungen asthmatischer Mäuse war die Genexpression der vα13+ TCR Seitenkettenvariante ein zuverlässiger Marker für die Präsenz von allergenspezifischen ‚memory’ Th2-Zellen. Unsere Ergebnisse deuten des weiteren darauf hin, dass CCR9 womöglich im Zurückbleiben dieser Gedächtnis-Zellen in asthmatischen Lungen mitspielt, was nach weiteren Untersuchungen zur genauen Ermittlung des Ausmaßes seiner Rolle verlangt. Auf die wiederholte Inhalation des Allergens hin wies die pulmonale Zytokingenexpression auf die Bildung einer starken Th2 zellvermittelten allergenspezifischen Immunantwort hin, bereits 2 Stunden nach der Exposition. Expressionsmuster diverser asthma- und lymphozytenbezogener Markergene trug zu weiteren Einsichten in die frühen Ereignisse nach einer Allergen Re-exposition bei. Pulmonale Genexpression zeigte für alle bekannten Chemokinrezeptoren nach Aufnahme des Allergens ein sich änderndes Muster. Diese Änderungen waren jedoch nur für CCR1, CXCR2, CCR5, CCR10 und CX3CR1 von Dauer. Aufgrund der Wiederholungen von Expressionsverläufen vermuten wir, dass es eine begrenzte Anzahl bestimmter Regulationsmuster gibt, denen bestimmte Chemokinrezeptorgene folgen. Die Gruppe von Chemokinrezeptoren, die nicht auf die Aufnahme von Allergen Genexpressions-veränderungen aufzeigten (CCR4, CCR7, CCR9, CxCR1 and CxCR6), sind daher möglicherweise nicht für die Einleitung einer asthmatischen Reaktion notwendig. Wir erhoffen uns, dass aus den gewonnenen Einsichten unserer Untersuchungen die Herstellung spezifischer Pharmazeutika sowie Angriffsziele zur Behandlungen von rückkehrenden asthmatischen Erscheinungen auf den Kontakt mit Aeroallergen entstehen könnten.
Abstract
(Englisch)
IMMUNOLOGICAL MEMORY (IM) is the ability of the immune system to respond faster, more effectively and with greater magnitude to a previously encountered antigen. This ability is mediated by memory lymphocytes generated during first antigen encounter. Generation of memory lymphocytes is beneficial in recurrent infections because they provide long-lasting protection from pathogens. On the other hand, memory lymphocytes can also have a pathological role. The immune system of atopic persons has a tendency to react against harmless environmental antigens (allergens), like dust and pollen. Exposure of atopic individuals to allergens can lead to development of allergen-specific CD4+ T helper 2 cells (Th2 cells). Allergen-specific Th2 cells elicit a pathological cascade resulting in elevated IgE antibody titers and an increased number of eosinophils, amongst other parameters.
Reactions to allergens are manifested in diverse ways, depending on the affected organ and potentially the allergen itself. A patient with allergic asthma (AA) suffers from recurrent episodes of wheezing, breathlessness and coughing due to a severe chronic inflammation of the airways, hyper-secretion of mucus, bronchial hyper-responsiveness and reversible airway obstruction. The potential importance of memory Th2 cells in asthma is accentuated by the findings about T helper 1 (Th1) cells and cytotoxic T cells (CTLs) in mice that perpetuation of numerous chronic inflammatory disease states is possible through antigen-specific memory cell installation in peripheral tissue.
Mouse models of AA are well defined. Sensitization and subsequent antigen aerosol challenge of mice induces an acute inflammatory response in lungs that resembles AA in humans. After recovery from this acute episode of AA, recovered mice retain cell-infiltrates in lungs and display elevated titers of IgG1 and IgE antibodies in sera, when compared to naïve mice. Interestingly, infiltrates in the lungs of recovered mice contain antigen-specific memory Th2 cells. Earlier work has shown that these memory Th2 cells remain in the lungs for the lifetime of recovered mice and appear to be essential for disease relapse after antigen re-exposure.
OBJECTIVES This study aims to elucidate the role of chemokine receptors (CKRs) in the maintenance and migration of allergen-specific Th2 memory cells in the lungs of asthmatic mice. It will also focus on many genes that could serve to indicate the presence and activation of allergen-specific Th2 memory cells in the lungs, including Th2 cytokines and T cell activation markers. To examine the role of CKRs in maintenance of allergen-specific Th2 memory cells, gene expression was compared between naïve healthy controls and mice recovered from an acute asthma attack. To investigate the role of mentioned genes in the disease relapse, expression differences between recovered and mice that were re-challenged with allergen were compared.
METHODS We examined differences in CKR and selected marker gene expression between healthy mice (naïve), asthmatic mice recovered from acute disease (recovered), and normal asthmatic mice that are re-exposed to allergen (re-challenged) in a comparative gene expression evaluation of the whole pulmonary transcriptome via real-time PCR.
RESULTS TCR variable region α13 and the two monogamous receptors CCR6 and CCR9 were the only three genes that showed detectable difference in gene expression between naïve and recovered mice: while TCR α13 and CCR9 expression were increased, CCR6 expression was decreased in recovered mice compared to naïve mice. Expression levels of all Th2-specific cytokines, IL-4, IL-5 and IL-13, were immensely up-regulated after allergen re-challenge, while IFNγ showed a significant up-regulation between 4 and 6 h after allergen exposure of asthmatic mice. Several genes of secreted asthma promoting factors (TSLP, IL-33 and eotaxins-1 and -2) showed clear up-regulation, while specific genes of Th2 cells were either not affected (ST2) or down-regulated (CRTh2 and IL-25R). Evaluation of CKR expression after allergen re-challenge revealed different regulation patterns, while CCR1 and CXCR2 showed clear up-regulation from 2 h and CCR10 and CX3CR1 showed clear down-regulation from 4 h after contact with allergen. We observed that a group of CKR genes did not react to the re-challenge at all (CCR4, CCR7, CCR9, CXCR1 and CXCR6).
CONCLUSIONS On the scale of the whole lung RNA vα13+ TCR sub-chain variant expression was a reliable marker for the presence of allergen-specific memory T cells in the lung tissue of asthmatic mice. Further, our results imply that CCR9 might be involved in the maintenance of these memory cells, which has to be further validated in subsequent experiments. Upon allergen re-challenge, pulmonary cytokine gene expression indicates elicitation of a strong Th2-mediated allergen-specific immune response within the first two hours after re-challenge. Gene expression pattern of diverse asthma and lymphocyte-related markers assisted in gaining insight in the early events after allergen re-challenge. Global pulmonary gene expression patterns of almost the whole panel of known CKRs was markedly changed after re-challenge. This change, however, was only permanent for CCR1, CxCR2, CCR5, CCR10 and Cx3CR1. Additionally, we observed that there might be a limited number of distinct regulation pattern that CKRs obey as the lungs are re-challenged. One group of CKRs did not react to allergen exposure and gene expression alterations of these genes (CCR4, CCR7, CCR9, CxCR1 and CxCR6) might therefore not be necessary for the initiation of an asthmatic response. Yielded information should serve the design of specific pharmaceuticals and/or treatments for the cure from recurrent asthmatic phenotype upon contact with aeroallergens.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
chemokinereceptor expression allergic asthma Th2 memory cells
Schlagwörter
(Deutsch)
Chemokinrezeptor Expression Allergisches Asthma Th2 Gedächtnis-Zellen
Autor*innen
Mohammad Nael Elagabani
Haupttitel (Englisch)
Characterization of th2 cells and relative chemokine receptor expression during distinct phases of allergic asthma
Paralleltitel (Deutsch)
Die Charakterisierung von Th2 Zellen und relative Chemokinrezeptor Expression während bestimmten Phasen allergischer Asthma
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
98 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Decker
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.10 Systemtheorie
AC Nummer
AC09419662
Utheses ID
13066
Studienkennzahl
UA | 490 | | |