Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Deciphering the role of the inflammasome pathway during infections with the rodent specific model of filariasis: Litomosoides sigmodontis

Filariasis is a major health problem in tropical regions (especially in Africa) since these infections are chronic and can persist in humans for years. Long-term infection is caused by suppression of host immunity. Depending on the species, filariasis manifests itself primarily in the lymphatic system or in superficial or deeper connective tissue. The most commonly known filarial diseases are lymphatic filariasis (LF) and onchocerciasis. LF is elicited by Wuchereria bancrofti, Brugia malayi or Brugia timori and can lead to severe pathology such as elephantiasis or hydrocele. Currently, approximately 68 million people worldwide are infected with LF and require preventive chemotherapy to stop the spread of this parasitic infection. Litomosoides sigmodontis is a rodent filarial that is used in pre-clinical studies to study aspects of parasite development, immunology and drug treatment. Since the aforementioned human filariae are host-specific a rodent filarial laboratory model was established using L. sigmodontis which belongs to the same family as W. bancrofti and Brugia species in order to study aspects of parasite. Modulation of the host immune response by helminths is an essential aspect of their survival, but the function of host inflammasome activation during helminth infection is unclear. Especially for inflammasome activation in filarial infections, there are no published studies using either pre-clinical or clinical scenarios. Therefore in this thesis, I investigated how filarial infections influence inflammasome activation. The first part of this thesis focused on parasitological investigations such as worm development and reproduction in the absence of the inflammasome central adapter molecule ASC. Data of this section show no difference in worm burden between the groups, but an elevated fecundity in female worms, which results in a higher production of microfilaria and higher percentage of patent mice in the ASC-/- group. The same ability of ASC-/- and WT mice to eliminate microfilaria over time is also an important indication of the higher fecundity in female worms of ASC-deficient mice. The second section of the study dealt with immune changes during L. sigmodontis infection. Data reveal a reduced LsAg-specific IFN- release by draining lymph node cells, but only little changes in the frequencies of Th1, Th2, Th17 and inflammasome mediated cytokines in the local and systemic site of infection. The third part focused on T-cell activation, expansion of regulatory T-cells and their suppressive capacity. Here, a lower Treg number in ASC-/- mice during the early stages of infection was observed although frequencies were comparable with WT mice by day 90 post-infection. In in vitro recall assays, filarial-specific CD4+ T-cell responses from WT mice were comparable when dendritic cells from either WT or ASC-/- BALB/c were used as antigen presenting cells. In terms of suppression, Tregs isolated from WT mice (Mf positive or Mf negative) were more efficient in suppressing filarial-specific IL-13 release from CD4+ T-effector cells than Treg from ASC-/- mice. Interestingly, Treg were not able to suppress IL-5 release. These data reveal an impact of inflammasome signalling during the course of filarial infection, thus highlighting the complex interplay of chronic helminth infections and the host immune system.

Filariosen stellen ein großes Gesundheitsproblem in tropischen Regionen (insbesondere in Afrika) dar, da diese Infektionen chronisch sind und beim Menschen jahrelang persistieren können. Diese Langzeitinfektionen werden durch eine Unterdrückung der Immunität des Wirts hervorgerufen. Je nach Art manifestiert sich die Filariose hauptsächlich im Lymphsystem oder im oberflächlichen oder tieferen Bindegewebe. Die bekanntesten Filarienerkrankungen sind die lymphatische Filariose (LF) und die Onchozerkose. LF wird durch Wuchereria bancrofti, Brugia malayi oder Brugia timori ausgelöst und kann zu einer schweren Pathologie führen, wie z.B der Elefantiasis oder Hydrocelen. Weltweit sind derzeit rund 68 Millionen Menschen mit lymphatischer Filariose infiziert und benötigen eine vorbeugende Chemotherapie, um die Ausbreitung dieser parasitären Infektion zu stoppen. Litomosoides sigmodontis ist eine Nagetier-spezifische Filarie, die in vorklinischen Studien verwendet wird, um Aspekte der Parasitenentwicklung, Immunologie und medikamentösen Behandlung zu untersuchen. Da die oben genannten menschlichen Filaria wirtsspezifisch sind, wurde ein filarienspezifisches Labormodell für Nagetiere mit L. sigmodontis erstellt, das zur gleichen Familie wie W. bancrofit und Brugia species gehört, um Aspekte von Parasiten zu untersuchen. Die Modulation des Wirts-Immunsystems durch Helminthen ist ein wesentlicher Aspekt ihres Überlebens, aber die Funktion des Inflammasoms des Wirts während der Helmintheninfektion bleibt unklar. Insbesondere für das Inflammasom bei Filarieninfektionen gibt es keine veröffentlichten Studien, die entweder präklinische oder klinische Szenarien verwenden. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob und wie Filarieninfektionen die Aktivierung des Inflammasoms beeinflussen. Der erste Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf parasitologische Untersuchungen wie die Entwicklung und Reproduktion von Würmern in Abwesenheit des Inflammasom-Zentraladaptermoleküls ASC. Die Daten dieses Abschnitts zeigten keinen Unterschied in der Wurmlast zwischen den Gruppen, aber eine erhöhte Fertilität bei weiblichen Würmern, welche zu einer höheren Produktion von Mikrofilarien und einem höheren Prozentsatz an patenten Mäusen in der ASC-/--Gruppe führt. Die vergleichbare Fähigkeit von ASC-/- und WT Mäusen, die Mikrofilarien im Verlauf der Infektion zu eliminieren, ist ebenfalls ein wichtiger Hinweis auf die erhöhte Fertilität der weiblichen Würmer in ASC-/- Mäusen. Der zweite Teil der Studie befasste sich mit Immunveränderungen während einer L. sigmodontis-Infektion. Hier zeigen die Daten eine verringerte LsAg-spezifische IFN--Freisetzung durch mediastinale Lymphknotenzellen, jedoch nur geringe Änderungen in der Menge an Th1-, Th2, Th17- und Inflammasom-vermittelten Zytokinen, lokal und systemisch. Der dritte Teil konzentrierte sich auf die T-Zell-Aktivierung, die Expansion von regulatorischen T-Zellen und deren Suppressionskapazität. Hier wurde eine niedrigere Anzahl an Tregs bei ASC-/- Mäusen während der frühen Infektion beobachtet, die Zahl an Tag 90 nach der Infektion, war jedoch mit der Anzahl bei WT Mäusen vergleichbar. Während eines in-vitro Stimulations-Assays waren filarienspezifische CD4+ T-Zell Antworten von Knockout und WT vergleichbar, wenn dendritische Zellen von WT oder ASC-/- BALB/c Mäusen als Antigen-präsentierende Zellen verwendet wurden. In Bezug auf die Unterdrückung einer filarienspezifischen IL-13 Freisetzung aus CD4+ T-Effektorzellen waren isolierte Tregs aus Mf positiven oder Mf negativen WT Mäusen effizienter als diejenigen Tregs der ASC-/- Mäuse. Interessanterweise konnte die IL-5 Freisetzung nicht durch Tregs unterdrückt werden. Insgesamt zeigen diese Daten die weitreichenden Auswirkungen des Inflammasoms während einer Filarieninfektion und unterstreichen die Komplexität der Wechselwirkung einer chronischen Helmintheninfektionen und der Immunität des Wirts. 

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