Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Induktion von oraler Toleranz in den Mesenteriallymphknoten und die Lokalisation und Interaktion von Lipiden mit den vorhandenen Zellpopulationen im Modell der Diät-induzierten Adipositas

Streich, Katharina

Die Prävalenz von Übergewicht und Adipositas hat in den letzten Jahrzenten kontinuierlich zugenommen und sich zu einem globalen Gesundheitsrisiko entwickelt. Die enge Assoziation mit oftmals lebensbedrohlichen Begleiterkrankungen stellt nicht nur die Medizin vor neue Herausforderungen, sie stellt auch neue Anforderungen bezüglich der Erforschung dieses komplexen Gesundheitsproblems. Die übermäßige Energiezufuhr führt dabei nicht nur zu einer Störung des Stoffwechsels eines Organismus, sie führt gleichzeitig zu Veränderungen des gesamten Immunsystems. Der Grund hierfür sind zumeist abnorme Fettansammlungen im Gewebe. Die Aufnahme dieser Nahrungsfette findet in den proximalen Dünndarmabschnitten statt, insbesondere im Jejunum. Anschließend werden sie mit der afferenten Lymphe zu den Mesenteriallymphknoten (mLN) transportiert, um danach dem Blutkreislaufsystem zugeführt zu werden. Die Darm-drainierenden mLN sind dabei nicht nur in der Lage, auf potentielle Pathogene eine Immunantwort auszulösen, sie besitzen auch die Fähigkeit, auf Nahrungsmittelantigene und Kommensalen mit einer Toleranz zu reagieren. Das Ziel dieser Dissertation war es, neben der Lokalisation der Lipide innerhalb der mLN und deren möglichen Interaktionen mit den vorhandenen Zellpopulationen, auch den Einfluss einer erhöhten Lipid-Zufuhr auf die immunologische Funktion dieser Lymphknoten zu untersuchen. Hierzu wurde ein kombiniertes Versuchsmodell der Diät-induzierten Adipositas (DIO) und der Toleranzinduktion durch das Nahrungsmittelantigen Ovalbumin gewählt. Die verwendeten Methoden umfassten u.a. die real-time PCR, den (Multiplex-) ELISA, histologische, immunfluoreszenz- und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen und durchfluss-zytometrische Analysen. Mit Hilfe des DIO-Versuchsmodelles konnten die Lipide innerhalb der mLN vermehrt intrazellulär, und den Sinus eng benachbart, beobachtet werden. Die lipid-geladenen Zellpopulationen umfassten sowohl intrasinusoidale Makrophagen und Retikulumzellen als auch marginale Retikulumzellen (MRCs), fibroretikuläre Zellen (FRCs) und Lymphendothelzellen (LECs). Eine verstärkte intrazelluläre Lipidakkumulation, insbesondere der LECs und FRCs, ließ vermuten, dass es zu Einschränkungen der Funktion dieser Zellen kommt. Neben der gerüstbildenden organisatorischen Funktion der FRCs, können diese ebenfalls den Antigentransport, die Antigenpräsentation, die Migration sowie die T-Zellhomöostase positiv beeinflussen, während die LECs bevorzugt die Migration der Immunzellen in das lymphoretikuläre Bindegewebe bewerkstelligen. Gleichzeitig wird diesen Stromazellen eine unterstützende Funktion in der Entstehung von oraler Toleranz zugesprochen. Im Zuge der Adipositas konnte neben einer abnormen Fettansammlung eine Veränderung in der Toleranzentwicklung festgestellt werden. Dies zeigte sich nicht nur systemisch in einer leicht erhöhten Hypersensitivitätsreaktion, sondern auch auf zellulärer Ebene. Die adipösen Mäuse wiesen einen reduzierten Anteil an tolerogenen dendritischen Zellen (DC) und T-Lymphozyten auf. Darüber hinaus wurde eine geringere Expression der anti-inflammatorischen Zytokine IL-4 und IL-10 festgestellt. Zudem ließen eine geringe Produktion an IgA sowie eine reduzierte Expression des Darmassoziations-Moleküles CCR9+ eine Störung der Etablierung und Aufrechterhaltung der Toleranz innerhalb der Darmmukosa vermuten. Die Gründe und der Ort dieser Störung konnten nicht vollständig erfasst werden. Eine erhöhte Apoptoserate im Jejunum als Ort der Antigenaufnahme und in den mLN konnte jedoch weitestgehend ausgeschlossen werden. Vielmehr wird ein Wechselspiel mehrerer verschiedener Faktoren vermutet. Zum einen könnten bereits die beobachteten vermehrten Lipidansammlungen der Epithelzellen des Jejunums einen transzellulären Antigentransport erschweren. Zum anderen lässt sich vermuten, dass die Lymphgefäße, und damit die LECs, von den intrazellulären Lipidtropfen in ihrer Funktion eingeschränkt sind und damit ein Transport der tolerogenen DCs zu den mLN sowie die anschließende Migration in den Paracortex, behindert wird. Weiterhin deutet die verminderte T-Zellpopulation auf eine gestörte T-Zellhomöostase hin und reduziert dementsprechend die Möglichkeit zur Entstehung der Tregs, die zur Toleranzentwicklung benötigt werden. Neben einem zentralen Problem im Thymus kommen hierfür Funktionseinschränkungen der FRCs in Betracht, bedingt durch die intrazelluläre Lipidakkumulation. Einen weiteren Hinweis auf eine Funktionsbeeinträchtigung der Stromazellen lieferte ein Transplantations-Versuchsmodell, das Unterschiede in der Toleranzinduktion zwischen transplantierten peripheren Lymphknoten bzw. transplantierten mLN unter einer Adipositas aufzeigen konnte. Die beobachteten Veränderungen bezüglich der Fettansammlung, Hypersensitivitätsreaktion und der Zellzusammensetzung der mLN ließen sich durch eine Umstellung der Ernährung auf eine fettreduzierte Diät wieder beheben. Dies zeigt, dass der negative Effekt der Adipositas auf die immunologische Funktion der mLN reversibel ist und dass die Ernährung und das perinodale mesenteriale Fettgewebe einen erheblichen Einfluss auf die Lymphknoten besitzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Diät-induzierte Adipositas sowie die erhöhte Lipid-Zufuhr eine Störung in der Induktion von oraler Toleranz nach sich ziehen und damit ein erhöhtes Risiko einhergeht, auf harmlose Nahrungsmittelantigene mit einer Immunreaktion zu reagieren.

The prevalence of overweight and obesity has continuously increased in the last decades transforming these conditions to a global health threat. Obesity is closely associated with life-threatening comorbidities and results in new challenges for medicine and research to analyse this complex health issues. High energy intake leads not only to metabolic disturbances, but also to an impairment of the entire immune system mainly due to excessive fat accumulations in different tissues. The intake of dietary fat takes place in the cranial sections of the small intestine, particularly in the jejunum. Upon absorption, dietary lipids are transported via afferent lymph vessels to mesenteric lymph nodes (mLN) and released in bloodstream. Those gut-draining lymph nodes have the ability to remain tolerant to harmless food antigens and commensal antigens while retaining the capacity to repel pathogens effectively. The aim of this study was to examine the influence of diet-induced obesity (DIO) on the immune function of mLN and, in particular on the oral tolerance induction. Furthermore the localization of lipids within those lymph nodes and their interactions with existing cell populations have been investigated. To this end, a DIO model was combined with a model of tolerance induction by administering the food antigen ovalbumin. Following methods were used for this study: the real-time PCR, the (Multiplex-) ELISA, the immunofluorescence and transmission electron microscopy, histological and flow cytometric analysis. In mLN lipid droplets were mainly found intracellularly and in close proximity to lymph node sinuses. The lipid-laden cell populations were identified as intrasinusoidal macrophages and reticulum cells including marginal reticular cells (MRCs), fibroreticular cells (FRCs) and lymphendothelial cells (LECs). The increased intracellular lipid accumulations, in particular in LECs and FRCs, indicated that the function of these cells is impaired. FRCs form a collagen fiber network and are essential for the organization of mLN. In addition they facilitate the antigen transport and the presentation as well as the migration of immune cells and T cell homeostasis. On the other hand, LECs regulate the migration of immune cells in the lymphoreticular connective tissue. Beyond this, these stromal cells are able to support oral tolerance induction. Obese mice showed not only large accumulations of fat, but also alterations in the development of tolerance characterized by a slightly increased delayed-type hypersensitivity reaction (DTH) and changes at the cellular level. Furthermore, these mice displayed a decreased percentage of tolerogenic dendritic cells (DCs) and T lymphocytes. Moreover, reduced expression of anti-inflammatory cytokines IL-4 and IL-10 was determined. Furthermore, decreased production of immunoglobulin A and reduced expression of the gut-homing molecule CCR9+ indicated an impairment of the establishment and maintenance of tolerance within the intestinal mucosa. Although we excluded increased apoptosis at sites of antigen uptake, in mLN and jejunum, the cause and the place of this impairment needs to be further investigated. We hypothesize that interplay of multiple factors contributes to this impairment. On the one hand, the increased lipid accumulations in jejunal epithelial cells might disturb the transcellular transport of antigens. On the other hand, it’s possible that lymph vessels, and therefore LECs, are impaired in their function by intracellular lipid droplets. Thus, the transport of tolerogenic DCs and their migration in the paracortex could be compromised. The development of Tregs, that are necessary for tolerance induction was also slightly reduced due to a decreased T cell population and implies an impaired T cell homeostasis. Besides alterations of the thymus as a central lymphoid organ, alterations of FRCs in the mLN must be also considered due to intracellular lipid accumulations. In addition, another indication of a negative impact of obesity on stromal cells was provided by utilizing a lymph node transplantation model. In this model differences in tolerance induction between transplanted peripheral lymph nodes and transplanted mLN in obese mice were observed. Furthermore, the alterations in fat accumulation, DTH-reaction and composition of immune cells within mLN could be abolished by a change of diet. This underlines the fact that the adverse effect of obesity on immunological function of mLN is reversible and that diet and perinodal mesenteric adipose tissue have a significant impact on mLN. In summary, our results demonstrated that a DIO, combined with an increased lipid intake, results in an impaired oral tolerance induction and therefore in a higher risk to cause immune reactions to harmless food antigens.

Quote

Citation style:

Streich, Katharina: Induktion von oraler Toleranz in den Mesenteriallymphknoten und die Lokalisation und Interaktion von Lipiden mit den vorhandenen Zellpopulationen im Modell der Diät-induzierten Adipositas. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export