Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Johannes Junginger

 

Dendritic cells and regulatory T cells in the gastrointestinal tract of healthy and diseased dogs with inflammatory bowel disease

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103131

title (ger.)

Dendritische Zellen und regulatorische T-Zellen im Gastrointestinaltrakt von gesunden Hunden und Hunden mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/jungingerj_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Die Aufrechterhaltung der gastrointestinalen Homöostase hängt sowohl von einer ausgeprägten regulatorischen Kapazität als auch einer gewissen entzündlichen Aktivität ab, welche die Penetration des Wirtes durch intestinale Mikroorganismen verhindert. Dabei spielen Dendritische Zellen (engl. dendritic cells, DCs) für die Erkennung fremder Strukturen und die Initiierung und Lenkung spezifischer Immunantworten eine wichtige Rolle. Darüber hinaus können sie gegenüber Nahrungsproteinen und kommensalen Mikroorganismen eine Immunsuppression induzieren, um exzessive und anhaltende Immunreaktionen zu verhindern. Diese sogenannte orale Toleranz wird insbesondere durch die Induktion forkhead box P3 (Foxp3)-positiver regulatorischer T-Zellen (Tregs) in der intestinalen Mukosa vermittelt. Der Verlust intestinaler Homöostase und oraler Toleranz wird als kritischer Faktor für die Pathogenese von Inflammatory Bowel Disease (IBD) diskutiert, die eine Gruppe chronisch-entzündlicher, idiopathischer Magen-Darmerkrankungen bei Mensch und Hund darstellt. Bisher ist wenig über DCs und Tregs im kaninen Magen-Darmtrakt bekannt. Daher war das Ziel der vorliegenden Studie, diese Zellen im gastrointestinalen Immunsystem von gesunden Hunden zu untersuchen. Aufgrund der Hypothese, dass sie an der Pathogenese der Erkrankung beteiligt sind, wurden DCs und Foxp3+ Tregs in gastrointestinalen Biopsien von Hunden mit IBD analysiert. Darüber hinaus wurden Gewebeproben von Hunden mit spontanen, intestinalen Nematodeninfektionen als eine weitere entzündliche Erkrankung des Magen-Darmtraktes untersucht.

Zunächst wurden die gastrointestinalen Gewebeproben nach anerkannten Richtlinien histopathologisch evaluiert. Daraufhin wurden die Verteilung und Phänotypen von DCs beziehungsweise Foxp3+ Tregs mittels Immunhistologie und Mehrfachimmunfluoreszenz im kaninen Darm-assoziierten lymphatischen Gewebe (engl. gut-associated lymphoid tissue, GALT) untersucht. Weiterhin wurde die Anzahl von DCs und Foxp3+ Tregs in der Lamina propria (LP) quantifiziert und statistisch analysiert.

Alle Kompartimente des kaninen GALT wiesen ein komplexes Netzwerk von DCs und Tregs auf. Die Mehrzahl der DCs der LP exprimierten cluster of differentiation (CD) 1a8.2, CD11c und major histocompatibility complex (MHC) Klasse II, wohingegen signifikant weniger DCs ein positives Signal für CD11b aufwiesen. Im Gegensatz dazu fanden sich CD80+ und CD86+ DCs nicht in der LP, sondern lediglich vereinzelt in Peyerschen Platten (PPs) und mesenterialen Lymphknoten (MLNs). Darüber hinaus wiesen DCs der LP zytoplasmatische Ausläufer aus, die das intestinale Epithel penetrierten. Bezüglich verschiedener Altersgruppen fand sich eine Zunahme von Foxp3+ Tregs der LP bei Hunden mittleren Alters im Vergleich zu jungen und alten Individuen. Hunde mit IBD zeigten im Vergleich zu gesunden Kontrolltieren eine signifikante Verminderung von DCs und Foxp3+ Tregs in der LP. Dagegen waren Foxp3+ Tregs bei Hunden mit intestinalen Nematodeninfektionen signifikant erhöht.

Das komplexe Netzwerk von DCs und Tregs im kaninen GALT weist auf eine wichtige Rolle für das mukosale Immunsystem hin. Aufgrund der Expression von CD1a8.2, CD11c und CD11b und des Fehlens von CD80 und CD86 handelt es sich bei DCs im gesunden kaninen Magen-Darmtrakt wahrscheinlich um unreife Zellen, die an der Induktion oraler Toleranz beteiligt sind. Der Nachweis transepithelialer, zytoplasmatischer Fortsätze deutet auf eine direkte Aufnahme luminaler Antigene durch kanine DCs hin. Die Zunahme intestinaler Tregs bei Hunden mittleren Alters weist auf eine progressive Ausbildung oraler Toleranz hin. Im Gegensatz dazu lässt deren Abnahme bei alten Individuen eine mit dem Alter assoziierte, fortschreitende Immunoseneszenz vermuten.

Die Verminderung von Tregs und unreifen DCs deutet auf einen Verlust regulatorischer Kapazität des Darmimmunsystems und oraler Toleranz bei Hunden mit IBD hin, wodurch eine überschießende Immunreaktion gegen luminale Antigene begünstigt sein könnte. Darüber hinaus stellt die Abnahme mukosaler DCs eine reduzierte Kapazität der Aufnahme und Präsentation von Antigenen dar, die eine Dysbiose der intestinalen Mikroflora bei kaniner IBD begünstigen könnte.

Im Gegensatz dazu impliziert die Erhöhung mukosaler Tregs bei Hunden mit Nematodeninfektionen eine durch Parasiten vermittelte Zunahme der regulatorischen Aktivität, um möglicherweise ein längeres Überleben im Wirt zu ermöglichen und übermäßige, entzündliche Reaktionen zu verhindern. Somit könnte die orale Applikation von Parasiten eine neue und innovative Strategie für die Behandlung von IBD darstellen.

 

abstract (englisch)

Alongside the gastrointestinal border, intestinal homoeostasis depends on strong regulatory capacity but further requires a distinct inflammatory activity to prevent penetration of intestinal microorganisms. Concerning this, dendritic cells (DCs) are crucial for recognition of foreign structures and therefore initiate and orchestrate specific immune responses. Moreover, they can induce immunosuppression towards food proteins and commensal bacteria to avoid excessive and prolonged immune responses. Particularly, this so-called oral tolerance mainly requires the induction of forkhead box P3 (Foxp3) positive regulatory T cells (Tregs) in the mucosal immune system. Breakdown of intestinal homoeostasis including a loss of oral tolerance constitutes a critical step in the pathogenesis of inflammatory bowel disease (IBD) – a group of chronic enteropathies of unknown aetiology occurring in both, men and dogs. As little is known about these cells in the canine gut, the aim of this study was to investigate DCs and Foxp3+ Tregs within the gastrointestinal immune system of healthy dogs. Additionally, gastrointestinal biopsies of dogs suffering from IBD were examined to test the hypothesis that DCs and Tregs are involved in its pathogenesis. Furthermore, Foxp3+ Tregs were analysed in the mucosa of dogs with spontaneous intestinal nematode infections constituting an additional inflammatory disease of the canine alimentary tract.

In this study, gastrointestinal samples were initially examined by histopathology according to established guidelines. Subsequently, immunohistochemistry and multicolour immunofluorescence were used to evaluate the distribution and phenotypes of these cells within the canine gut-associated lymphoid tissue (GALT). Additionally, lamina propria (LP) DCs and Foxp3+ Tregs were quantified and related data were analysed statistically.

DCs and Tregs were widely distributed in all compartments of the canine healthy GALT. Within the small intestinal LP, the majority of DCs expressed cluster of differentiation (CD) 1a8.2, CD11c and major histocompatibility complex (MHC) class II, whereas significantly lower amounts were positive for CD11b. In contrast, CD80+ and CD86+ DCs were absent from the healthy LP but occasionally located in Peyer’s patches (PPs) and mesenteric lymph nodes (MLNs). Additionally, DCs located beneath the surface epithelium displayed cytoplasmic dendrites projecting between enterocytes. Concerning different age groups, the amounts of LP Foxp3+ Tregs were increased in middle-aged dogs compared to juvenile and older individuals. In canine IBD, both DCs and Foxp3+ Tregs were significantly decreased in the gastrointestinal LP. In contrast, Foxp3+ Tregs were increased in the intestinal mucosa of dogs with nematode infections.

The complex network of DCs and Tregs in the GALT suggests their crucial involvement in canine mucosal immunology. Expression of CD1a8.2, CD11c and CD11b but absence of CD80 and CD86 indicate canine LP DCs to be immature and responsible for mediation of oral tolerance in the steady state. The presence of transepithelial cytoplasmic dendrites further suggests direct sampling of luminal antigens by canine DCs. The increase of intestinal Tregs in middle-aged compared to juvenile dogs illustrates a progressive establishment of oral tolerance, which is in contrast to their decline in older individuals reflecting an increasing immunosenescence in the canine elderly.

The reduction of Tregs and tolerogenic DCs in the mucosa of dogs suffering from IBD elucidates a loss of intestinal immune regulation and oral tolerance that could mediate exacerbating immune responses towards luminal antigens. The decline of LP DCs further suggests a reduced capacity in antigen recognition and presentation that may result in disturbances of intestinal microbiota in canine IBD.

In contrast, enrichment of Tregs in the LP of dogs with nematode infections indicates a parasite-induced increase in immune regulation that could enable longer survival in the host and prevention of mucosal inflammation. This may suggest that oral application of parasites could represent a cutting-edge strategy for therapeutic management of IBD.

 

keywords

kanine Inflammatory Bowel Disease, dendritische Zelle, regulatorische T-Zelle, canine IBD, dendritic cell, regulatory T cell

kb

896