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Multimodal investigation of immune cell changes after tick bite and during tick-borne diseases
Sophie Müller
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molecular Microbiology, Microbial Ecology and Immunobiology
Betreuer*in
Georg Stary
DOI
10.25365/thesis.73872
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11941.14122.712896-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Als Folge des Klimawandels treten Zecken (Ixodida) und von Zecken übertragene Krankheiten immer häufiger auf. Während des Bisses sezernieren Zecken hunderte immunomodulatorische Speichelkomponenten in die menschliche Haut, die eine starke immunsuppressive Wirkung haben können. Von Zecken übertragene Krankheitserreger, wie Borrelia burgdorferi sensu lato, können von der Unterdrückung der lokalen Immunzellaktivation profitieren und den Wirt vermehrt infizieren. Die häufigste durch Zecken übertragene Infektion ist die Lyme-Borreliose, eine mehrstufige Multisystem-Erkrankung, die durch Borrelia burgdorferi sensu lato Stämme verursacht wird. Lyme Borreliose manifestiert sich als ein expandierender, geröteter Hautausschlag im Bereich des Zeckenbisses, bekannt als Erythema migrans.
In der vorliegenden Studie untersuchten wir Veränderungen in Immunzellpopulationen in menschlichen Blut- und Hautproben, die nach einem Zeckenstich und während aktiver und abgeklungener Lyme-Borreliose entnommen wurden. Wir isolierten Leukozyten aus Hautbiopsien und Blut, stimulierten die isolierten Zellen mit einem Zellaktivierungscocktail und analysierten sie mittels Durchflusszytometrie. Darüber hinaus wurden Immunfluoreszenz-Färbungen von wichtigen hautresidenten Immunzellen, einschließlich gewebeansässiger Gedächtnis-T-Zellen auf Hautschnitten durchgeführt.
Das Hautinfiltrat an der Zeckenbissstelle war durch eine Zunahme von T-Zellen, gewebeansässiger Gedächtnis-T-Zellen, B-Zellen und neutrophilen Granulozyten gekennzeichnet, was darauf hindeutet, dass eine erste Entzündungsreaktion unabhängig von der Krankeitserregerübertragung stattfindet. In Hautproben von Patienten mit Lyme-Borreliose beobachteten wir ebenso eine vermehrte Anzahl an B- und T-Zellen im Bereich des Erythems, was auf eine Lymphozyten dominierte Entzündungsreaktion hindeutet. Wir beobachteten einen Rückgang an dermalen dendritischen Zellen und plasmatytoiden dendritischen Zellen in EM Läsionen, welcher schon in Zeckenbiss-Biopsien vorhanden war. Dies deutet auf langanhaltende immunsuppressive Wirkungen der Zeckenspeichelkomponenten auf Dendritische Zellen hin. Interessanterweise, zeigte sich die Zytokinproduktion von T-Zellen und innate lymphoiden Zellen (ILCs) nach einem Zeckenbiss beeinträchtigt und die Zeckenbisse lösten auch diskrete systemische Effekte auf Leukozyten des peripheren Blutes aus. In aktivem Erythema migrans-Hautproben blieb die Zytokinproduktion weitgehend erhalten, jedoch war die Produktion von Interferon-gamma und Interleukin-17 durch innate lymphoide Zellen des peripheren Blutes signifikant reduziert. Zwischen dem Zentrum und dem Rand der Erythema migrans Läsion stellten wir Unterschiede in der B. burgdorferi-Bakterienlast und der Assoziation von Spirochäten mit Blut- und Lymphgefäßen fest. Es gab jedoch keine signifikanten Unterschiede im Immunzellinfiltrat zwischen dem Zentrum und dem inflammierten Randsaum des Erythems.
Insgesamt beobachteten wir, dass Zeckenbisse zu erheblichen Veränderungen im Immunzellnetzwerk der Haut und des Blutes führen, die die Abwehrreaktion gegen B. burgdorferi beeinträchtigen könnten. Teilweise sind diese Effekte auch in der frühen Lyme-Borreliose noch nachweisbar, wo sie die protektive Immunantwort gegen Erreger negativ beeinflussen könnten. In Zukunft könnte diese detaillierte, multi-modale Analyse zellspezifischer Veränderungen nach Zeckenbiss und im Frühstadium der Lyme-Borreliose zur Entwicklung wirksamer Präventions- und Behandlungsstrategien für durch Zecken übertragene Krankheiten beitragen.
Abstract
(Englisch)
As a consequence of climate change, ticks (Ixodida) and tick-borne diseases are emerging. During tick attachment to human skin, ticks secrete immunomodulary salivary compounds into skin, which can exert strong immunosuppressive effects. The suppressed local immune cell activation may be advantageous for tick-borne pathogens. The most common human tick-borne infection is Lyme disease, a multisystemic, multistage infection, caused by strains of Borrelia burgdorferi sensu lato. It first manifests as an expanding skin rash, known as erythema migrans.
Here we identify changes in key immune cell populations in human blood and skin samples taken after natural tick bites and in active and resolved human Lyme disease, providing insights to the immune reaction to tick feeding and tick-borne pathogens.
Leukocytes were isolated from blood and skin biopsies obtained from individuals after tick bite or with Borrelia infection. Isolated cells were analyzed by flow cytometry and lymphocyte subsets were assessed for cytokine production upon stimulation. In addition, immunofluorescent staining of key immune cells including tissue-resident memory T cells (TRM) was performed on skin sections.
The skin infiltrate at tick feeding sites was characterized by an increase in T cells, TRM, B cells and neutrophils, indicating that an initial inflammatory response is taking place independently of pathogen transmission. In skin samples obtained from patients with early Lyme disease, we similarly observed that B cells and T cells were increased, suggesting a mainly lymphocyte-driven inflammatory response. We detected a decrease in dermal dendritic cells and plasmacytoid dendritic cells in erythema migrans, which was already present in tick bite biopsies, indicating a long lasting effect of tick feeding on dendritic cell subsets.
Interestingly, cytokine production by T cells and innate lymphoid cells was impaired in tick bite skin and tick feeding also induced discreet systemic immune effects on peripheral blood leukocytes. In active erythema migrans, skin cytokine responses were largely conserved, however, production of interferon-gamma and interleukin-17 by peripheral blood innate lymphoid cells was significantly reduced. Between the center and the border of the EM lesion, we detected differences in B. burgdorferi bacterial load and the association of spirochaetes with blood and lymph vessels. However, there were no significant differences in the immune cell infiltrate between the rash center and the rash border.
Overall, we observed that tick feeding leads to significant changes on the skin and blood immune cell network, which might intrude with the primary response against tick-borne pathogens, such as B. burgdorferi and are still partially found in early Lyme disease. This detailed analysis of cell-specific changes in human skin may help to design potent prevention and treatment strategies for tick-borne diseases in the future.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Immunantwort Zeckenbiss Lyme-Borreliose Erythema migrans
Schlagwörter
(Englisch)
Immune response tick bite Lyme borreliosis erythema migrans
Autor*innen
Sophie Müller
Haupttitel (Englisch)
Multimodal investigation of immune cell changes after tick bite and during tick-borne diseases
Paralleltitel (Deutsch)
Multimodale Untersuchung von Veränderungen der Immunzellen nach einem Zeckenbiss und bei durch Zecken übertragenen Krankheiten
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
65 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Georg Stary
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
44 Medizin > 44.45 Immunologie
AC Nummer
AC16581341
Utheses ID
63887
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |