| License: Creative Commons Attribution 4.0 (3MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-367100
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.36710
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 5 February 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Marina Kreutz |
| Date of exam: | 29 January 2018 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Innere Medizin III (Hämatologie und Internistische Onkologie) |
| Keywords: | Vitamin D3; NOD2/CARD15; Immunomodulation |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 36710 |
Abstract (English)
GvHD is still the most common life-threatening complication associated with allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). NOD2/CARD15, an intra-cytoplasmatic pathogen-recognition receptor recognizing bacterial muramyl dipeptide (MDP), has gained substantial interest, as single nucleotide polymorphisms (SNPs) of this receptor have been identified as a risk factor for Crohn´s disease ...
Abstract (English)
GvHD is still the most common life-threatening complication associated with allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). NOD2/CARD15, an intra-cytoplasmatic pathogen-recognition receptor recognizing bacterial muramyl dipeptide (MDP), has gained substantial interest, as single nucleotide polymorphisms (SNPs) of this receptor have been identified as a risk factor for Crohn´s disease and GvHD. These data suggest that MDP sensing by hematopoietic cells is of crucial importance for the immune homeostasis in target organs of GvHD, especially in the gastrointestinal tract and/or skin. Nevertheless, the exact mechanism by which the mutation in the NOD2 receptor affects the outcome of transplantation is not entirely understood.
In the present work, the impact of NOD2 polymorphisms on the immune cell composition in peripheral blood of healthy donors was evaluated. We found that donors with NOD2 mutations presented differences in their myeloid compartment, with less CD33+ cells (a common myeloid marker) and less myeloid dendritic cells (mDCs). A more detailed analysis on the monocyte population revealed that donors with SNP12 or SNP13 but not SNP8 had increased CD16 expression. CD14+CD16+ monocytes have been identified as a major proinflammatory cell population as they exhibit a distinct cytokine secretion pattern, with low IL-10 production and high levels of IL-1β, TNF and IL-12. Moreover, it has been shown that these monocytes are more efficient antigen-presenting cells than their classical counterparts. These results provide a new insight by which NOD2 polymorphisms can have a modulatory function in the course of inflammation.
TGF-β is a pleiotropic cytokine with strong regulatory and inflammatory activity. Our analysis demonstrated that TGF-β is capable of inducing the expression of CD16 on monocytes, independent of the NOD2 status. However, we noticed that the highest number of CD14+CD16+ cells was found in donors with SNP12 or 13 mutations. The cytokine profile of these cells revealed a decrease in IL-8 secretion by SNP12 or 13 donors and, although not significant, a strong trend towards an increased IL-6 secretion, especially under non-stimulatory conditions. In line with these observations, we analysed the expression of iκB and found a constitutive degradation of IκB in one donor with both SNP8 and SNP13 mutation, indicating a constitutive activation of the NF-κB pathway.
The imbalance found in the immune cell composition of the analysed NOD2 SNP donors could contribute to the association seen between NOD2 SNPs and HSCT outcome. The cellular imbalances reflect at molecular level through pro-inflammatory cytokine secretion, and it is believed that a dysregulation on cytokine production provide the first mechanism by which NOD2 variants can affect the outcome of HSCT.
Beside NOD2 polymorphisms, vitamin D3 receptor gene polymorphisms have also been associated with GvHD. Furthermore, it has already been shown that vitamin D3 deficiency is a common phenomenon in allogeneic transplant patients and may also be involved in the pathogenesis of Crohn’s disease and GvHD. The impact of 1α,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25(OH)2D3) on T cells is well documented. It is known that this vitamin is capable of inducing FOXP3 expression, a known marker for regulatory T cells. However, the majority of the studies make use of high, non-physiological amounts of 1,25(OH)2D3. Furthermore, the impact of vitamin D3 on T cells is commonly mediated through the action of dendritic cells. In addition, the impact of vitamin D3 precursor, 25(OH)D3 is poorly documented.
In the present work, we demonstrated that T cells are direct targets of vitamin D3. Both 25(OH)D3 and 1,25 (OH)2D3 were able to upregulate FOXP3 expression on human CD4+ T cells, independent of dendritic cells. Also, we demonstrated a synergistic effect of vitamin D3 and TGF-β in the induction of a regulatory phenotype on T cells. Although the expression of FOXP3 was not different in cells treated with TGF-β and 1,25(OH)2D3, compared with TGF-β alone, cytokine analysis demonstrated an increased IL-10 and sCTLA4 in the presence of both stimuli. Furthermore, both 25(OH)D3 and 1,25(OH)2D3 showed a strong trend in the reduction of IL-17 and IFNγ secretion.
The use of a vitamin D3 sufficient vs deficient mice model proved to be rather inconsistent between the three performed experiments. However, a significant increase in the number of myeloid-derived suppressor cells in mice with sufficient levels of vitamin D3 was found. Since MDSC were found to ameliorate GvHD and DSS- induced colitis, this finding supports the relations found between vitamin D3 status and inflammatory conditions.
The impact of vitamin D3 on microbiome was also analysed and an increased bacterial diversity on mice with low levels of vitamin D3 was detected. Furthermore, a significant increase in bacteria from the Akkermansia genus was found in the stool of mice with sufficient levels of vitamin D3. These bacteria are known to be capable Treg inducers, have proven to be beneficial in colitis and shown to induce the expression of antimicrobial peptide Reg3γ in the colon. These data provide further proof on the importance of vitamin D3 status on the resolution of inflammatory conditions.
Translation of the abstract (German)
Die GvHD gilt nach wie vor als die häufigste, lebensbedrohliche Komplikation, die bei einer allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSZT) auftreten kann. NOD2/CARD15, ein pathogen-spezifischer Rezeptor im Zytoplasma, der das bakterielle Muramyl-Dipeptid (MDP) erkennt, hat zunehmend an Bedeutung gewonnen, da Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) dieses Rezeptors als Risikofaktor für ...
Translation of the abstract (German)
Die GvHD gilt nach wie vor als die häufigste, lebensbedrohliche Komplikation, die bei einer allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSZT) auftreten kann. NOD2/CARD15, ein pathogen-spezifischer Rezeptor im Zytoplasma, der das bakterielle Muramyl-Dipeptid (MDP) erkennt, hat zunehmend an Bedeutung gewonnen, da Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) dieses Rezeptors als Risikofaktor für Morbus Crohn und die GvHD gelten. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass das Erkennen von MDP durch hämatopoetische Zellen für die Immunhomeostase in Zielorganen der GvHD, wie dem Magen-Darm Trakt und/ oder der Haut, von großer Bedeutung ist. Allerdings ist der exakte Mechanismus, auf welche Weise die Mutation im NOD2 Rezeptor den Ausgang einer Transplantation beeinflusst, nicht vollständig geklärt.
In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, wie sich NOD2 Polymorphismen auf die Immunzellkomposition im peripheren Blut gesunder Spender auswirken. Spender mit einer NOD2 Mutation wiesen Unterschiede in der Zusammensetzung der myeloiden Zellen auf, wobei weniger CD33+ Zellen (ein klassischer myeloider Marker) und weniger myeloide dendritische Zellen (mDCs) detektiert wurden. Genauere Untersuchungen von Spendern mit einer SNP12 oder SNP13, nicht aber mit einer SNP8 Mutation, zeigten eine erhöhte CD16 Expression in Monozyten. Aufgrund ihres unterschiedlichen Zytokinprofils mit einer geringen IL-10, sowie eine hohe IL-1β, TNF und IL-12 Sekretion, gelten CD14+CD16+ Monozyten als die wichtigste proinflammatorische Zellpopulation. Es konnte gezeigt werden, dass diese Monozyten im Vergleich zu den klassischen Monozyten durch eine effizientere Antigenpräsentation charakterisiert sind. Diese Ergebnisse liefern neue Anhaltspunkte, inwieweit NOD2 Polymorphismen modulatorisch bei dem Ablauf einer Entzündungsreaktion wirken könnten.
TGF-β ist ein pleiotropes Zytokin mit stark regulatorischen und inflammatorischen Eigenschaften. Analysen im Rahmen dieser Arbeit zeigten, dass TGF-β, unabhängig vom NOD2 Status, die CD16 Expression auf Monozyten induzieren kann. In Spendern mit einer SNP12 oder SNP13 Mutation war der Effekt jedoch am stärksten und es wurden die meisten CD14+CD16+ Zellen detektiert. Das Zytokinprofil von Monozyten zeigte eine Reduktion der IL-8 Sekretion in SNP12 oder SNP13 mutierten Spendern und, obwohl nicht signifikant, vor allem unter nicht stimulierten Bedingungen trendmäßig eine erhöhte IL-6 Sekretion. Aufgrund dieser Beobachtung analysierten wir die Expression von iκB und fanden eine starke Reduktion von iκB in einem Spender mit gleichzeitiger SNP8 und SNP13 Mutation, was auf eine dauerhafte Aktivierung des NF-κB Signalwegs hinweist.
Die unterschiedliche Immunzellkomposition in den analysierten NOD2 SNP Spendern könnte den beobachteten Zusammenhang zwischen den NOD2 SNPs und dem Ausgang einer HSZT erklären, da eine Dysregulation der Zytokinproduktion den ersten Schritt darstellt, durch den NOD2-Varianten das Ergebnis einer HSZT beeinflussen könnten.
Neben dem NOD2 Polymorphismus, wird der Vitamin D3 Rezeptor Polymorphismus ebenfalls mit der GvHD in Verbindung gebracht. Es wurde bereits gezeigt, dass ein niedriger Vitamin D3 Spiegel in allogen transplantierten Patienten vorherrscht und dass dieser eine Rolle in der Pathogenität von Morbus Crohn und der GvHD spielen kann.
Der Einfluss von 1α,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25(OH)2D3) auf T Zellen wurde in der Literatur bereits beschrieben. Es wurde gezeigt, dass dieses Vitamin die Expression von FOXP3 induzieren kann, ein klassischer Marker für regulatorische T Zellen. Jedoch wurde in einem Großteil der Studien eine sehr hohe, nicht physiologische Konzentration an 1,25(OH)2D3 eingesetzt. Zudem wird der Einfluss von Vitamin D3 auf T Zellen oftmals indirekt durch die Interaktion mit dendritischen Zellen erklärt. Über den Effekt von 25(OH)D3, dem Vorläufermolekül von Vitamin D3, ist nur wenig bekannt.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Vitamin D3 T Zellen direkt beeinflusst. Sowohl 25(OH)D3 als auch 1,25(OH)2D3 waren in der Lage die FOXP3 Expression in humanen CD4+ T Zellen zu steigern, unabhängig von der Stimulation durch dendritische Zellen. Zudem zeigten wir einen synergistischen Effekt zwischen Vitamin D3 und TGF-β, der zur Ausprägung des regulatorischen Phänotyps in T Zellen führte. Obwohl kein Unterschied in der FOXP3 Expression in TGF-β und 1,25(OH)2D3 behandelten Zellen im Vergleich zu einer Behandlung ausschließlich mit TGF-β bestand, ergab die Untersuchung der Zytokine eine erhöhte IL-10 und sCTLA4 Sekretion unter Stimulation mit beiden Substanzen. Sowohl 25(OH)D3 als auch 1,25(OH)2D3 führten trendmäßig zu einer Reduktion der IL-17 und IFNγ Sekretion.
Drei Experimente in einem Mausmodell, bei dem eine Diät mit ausreichend viel gegenüber zu wenig Vitamin D3 gefüttert wurde, lieferten widersprüchliche Ergebnisse. Allerdings nahm die Anzahl der myeloiden Suppressorzellen (MDSC) in Mäusen mit ausreichendem Vitamin D3 Spiegel zu. Da MDSCs die Ausprägung einer GvHD und eine DSS-induzierte Kolitis abschwächen können, deuten unsere Ergebnisse auf einen Zusammenhang zwischen dem Vitamin D3 Status und der Schwere einer Entzündung hin.
Bei der Analyse des Effekts von Vitamin D3 auf das Mikrobiom wurde eine erhöhte bakterielle Diversität in Mäusen mit geringem Vitamin D3 Spiegel beobachtet. Außerdem wurden signifikant mehr Bakterien der Gattung Akkermansia im Stuhl von Mäusen mit ausreichendem Vitamin D3 Spiegel detektiert. Diese Bakterien können die Differenzierung von regulatorischen T Zellen auslösen, begünstigen den Ausgang einer Kolitis und steigern die Expression des antimikrobiellen Reg3γ-Peptid im Kolon. Diese Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle des Vitamin D3 Status für die Regulation einer Entzündung hin.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 20:24
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