The role of hypoxia in the intestinal epithelial cell response to Yersinia enterocolitica

Hypoxie, ein Zustand von Sauerstoff-Mangel bei dem Sauerstoffkonzentrationen unter das normoxische atmosphärische Niveau fallen, hat signifikante Auswirkungen auf etliche zelluläre Prozesse und beeinflusst die Pathogenese von verschiedenen Krankheiten. Innerhalb des menschlichen Körpers werden die Gewebe mit verschiedensten Sauerstoffkonzentrationen versorgt, welche unter dem atmosphärischen Niveau liegen, jedoch biologisch ausreichend bleiben; daraus resultiert ein Zustand, der Physioxie genannt wird. Im  gastrointestinalen Trakt gibt es einen steilen Sauerstoffgradienten, wobei die physioxischen Konzentrationen im intestinalen Epithelium zwischen 1% und 7% liegen können. Um ein intestinal-epitheliales in vitro Zell-Modell zu etablieren, ist es von entscheidender Bedeutung die Sauerstoff-konzentrationen in der Zellkultur zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Sauerstoffkonzentrationen in drei verschiedenen Caco-2 Zellkultursystemen unter der Verwendung von optischen Sensoren untersucht; in konventionellen 24-Wellplatten aus Polystyren, in speziellen Gas-permeablen 24-Wellplatten sowie mit Membraneinsätzen. Alle Zellkultursysteme zeigten niedrigere Sauerstoffkonzentration als erwartet, wenn sie unter normoxischen Bedingungen über sechs Tage kultiviert wurden. Dabei wiesen die konventionellen 24-Wellplatten Konzentrationen von weniger als 3% auf, während die Konzentrationen sowohl in den Gas-permeablen Platten als auch in den Membraneinsätzen bei über 13% lagen. Eine Inkubation der verschiedenen Zellkulturen unter hypoxischen Bedingungen (1% Sauerstoff) führte zu einer raschen Angleichung an Umgebungssauerstoffkonzentrationen in den Gas-permeablen als auch den konventionellen 24-Wellplatten, jedoch nicht in den Membraneinsätzen, welche auch nach 6 Stunden Werte von knapp 3% aufwiesen. Studien haben gezeigt, dass die zelluläre Hypoxie zu einer Anreicherung des „hypoxia-inducible factor“, HIF1α führt; dieses Protein wirkt als eine Art globaler Regler bei der zellulären Anpassung an sauerstoff-bedingten Stress. Um dies näher zu betrachten, wurden mit Hilfe von Western Blot Analysen die Proteinkonzentrationen von HIF1α in den verschiedenen oben beschriebenen Zellkultursystemen bestimmt. Unter hypoxischen Bedingungen wurde bereits nach einer Stunde eine deutliche Stabilisierung des HIF1α Proteins in Caco-2 Zellen in denkonventionellen 24-Wellplatten, sowie den Gas-permeablen Platten festgestellt, in den Membraneinsätzen erst nach 4 Stunden. Daraus folgernd wurde empfohlen, dass bei der Durchführung von Sauerstoff-abhängigen Versuchen sowohl das Zellkultursystem als auch die Bedingungen näher in Betracht gezogen werden sollten. Des Weiteren wurde Hypoxie bei Entzündungen und Infektionen im Gewebe überwiegend auf Grund von verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff oder erhöhtem Verbrauch von Sauerstoff durch einwandernde Pathogene oder rekrutierte Immunzellen beschrieben. Wenn bakterielle Infektionen im gastrointestinalen Trakt untersucht werden, ist es daher von großer Bedeutung, die zellulären Prozesse unter niedrigen Sauerstoffkonzentrationen sowie ihre Auswirkung auf die Wirt-Erreger-zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Wechselwirkung zwischen dem gastrointestinalen zoonotischen Bakterium Yersinia enterocolitca und intestinalen Epithelzellen unter hypoxischen Bedingungen. Es wurde gezeigt, dass eine hypoxische Vorinkubation der Caco-2 Zellen zu einer signifikant reduzierten Internalisierung der Bakterien führte. Dieser Phänotyp wurde durch die funktionelle Blockade von β1Integrin der Wirtszellen sowie durch Infektion mit einem Invasin-defizienten Y. enterocolitica Stamm aufgehoben. Verminderte Proteinkonzentrationen von β1Integrin in Zellen, welche unter Hypoxie kultiviert wurden, bestätigten diese Ergebnisse. Schlussendlich wurde eine potentielle Rolle von HIF1α vorgeschlagen, da die Behandlung mit dem HIF1α Agonisten Dimethyloxalylglycine zu einer verminderten Internalisierung von Y. enterocolitica sowie zu reduzierten β1Integrin Proteinkonzentrationen führte. Diese Arbeit hebt die Relevanz von Hypoxie im Zusammenhang mit gastrointestinalen Infektionen hervor und erörtert die Rolle von HIF1α als potentiell therapeutischen Wirkstoff.