The role of Interleukin-7 in hepatocellular immunoregulation

Die Leber nimmt eine zentrale Rolle im Metabolismus ein. Sie speichert Kohlenhydrate in Form von Glykogen und entgiftet den Körper z.B. von Alkohol. Die Leber besitzt neben einem arteriellen auch einen venösen Zufluss, d
Die Leber nimmt eine zentrale Rolle im Metabolismus ein. Sie speichert Kohlenhydrate in Form von Glykogen und entgiftet den Körper z.B. von Alkohol. Die Leber besitzt neben einem arteriellen auch einen venösen Zufluss, die Portalvene. Diese Vene transportiert nährstoffreiches Blut aus dem Gastrointestinaltrakt zur Leber, das auch eine hohe Konzentration an Metaboliten bakteriellen Ursprungs aufweist. Daher sorgen die residenten Immunzellen in der Leber stets für einen Zustand der Toleranz, d.h. es findet keine pro-inflammatorische Antwort auf den jeweiligen Stimulus statt. Dennoch muss das Immunsystem der Leber auch in der Lage sein, Infektionen effektiv zu bekämpfen. Belastungen der Leber z.B. durch Alkoholkonsum, zu fettreiche Nahrung, Infektionen oder Toxine können zu Leberzirrhose führen. Das akut-auf-chronische-Leberversagen ist die schwerste klinische Folgeerscheinung. Forschungsergebnisse zeigen sowohl Anzeichen von einer Überreaktion des Immunsystem als auch einer Immunparalyse bei den Patienten. Das Zytokin Interleukin-7 ist von zentraler Bedeutung bei der Reifung von Zellen des adaptiven Immunsystems. Auch in Leber und Darm sorgt Interleukin-7 für den Aufbau und Erhalt von verschiedenen Immunzellen. Eine Studie in Mäusen konnte zeigen, dass sich in den Lebern der Tiere Interleukin-7 induzieren ließ, wenn ihnen bakterielles Lipopolysaccharid in die Portalvene gespritzt wurde. Anhand dieser Datenlage ergaben sich die Fragestellung dieser Doktorarbeit, wie sich die genaue Rolle von Interleukin-7 in gesunden und zirrhotischen Lebern definieren lässt.
Um diese Frage zu klären, wurden zumeist Versuche in Zellkultur genutzt. Die Expression von Interleukin-7 in Hepatozyten und Endothelzellen wurde auf RNA Ebene im Zelllysat oder auf Proteinebene im Zellkulturüberstand überprüft. Mittels siRNA Transfektion wurden gezielt Mediatoren der Signalkaskade supprimiert. Verschiedene Immunzellen wurden aus humanem Blut aufgereingt und die Präsenz der Rezeptorproteine für Interleukin-7 wurde überprüft. Im Anschluss wurde bestimmt, wie die Interleukin-7 Stimulationen die Funktionalität von Makrophagen beeinflusst. Untersuchte Parameter waren dabei der zelluläre Metabolisms, die zelluläre Viabilität sowie die Toleranz gegenüber Lipopolysaccharid (LPS). Zuletzt wurde die Interleukin-7 Konzentration im Serum von Patienten in verschiedenen Stadien der Leberzirrhose bis hin zum akut-auf-chronischen-Leberversagen und von gesunden Kontrollen bestimmt und der Gehalt an Immunzellen, die den Interleukin-7 Rezeptor tragen, durchflusszytometrisch analysiert.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Expression von Interleukin-7 nur durch bestimmte Typen von Interferon ausgelöst wird. Dies ließ sich sowohl für Hepatozyten als auch für Endothelzellen beobachten. Wir konnten IRF1 als einen zentralen Mediator der Interleukin-7 Expression identifizieren. da eine Stimulation von Hepatozyten mit IFNalpha und IFNgamma zu einer gesteigerten Transkription, Translation und nukleären Translokation von IRF1 führten. Wir konnten die Rezeptorkomponenten für die Signaltransduktion von Interleukin-7 auf verschiedenen Immunzellen nachweisen. Zentrales Molekül bei der Signaltransduktion von Interleukin-7 in Makrophagen war GSK3, die durch Interleukin-7 phosphoryliert und inhibiert wurde. In Folge dessen zeigten Interleukin-7 stimulierte Makrophagen eine Reduktion ihres intrazellulären ATP-Spiegels, eine reduzierte Viabilität, aber auch eine stark erhöhte Genexpression der pro-inflammatorischen Zytokine IL-1beta, IL-6 und TNFalpha. Der Serumspiegel von Interleukin-7 war in Patienten mit Leberzirrhose sehr stark erniedrigt und die Menge an CD127 positiven myeloiden und T-Zellen war verändert.
Unsere Daten charakterisieren Interleukin-7 als ein vergleichsweise pro-inflammatorisches Zytokin für Zellen des angeborenen Immunsystems, welches durch den Mediator IRF1 reguliert wird. In gesunden Makrophagen bricht Interleukin-7 die LPS-Toleranz dieser Zellen, während es gleichzeitig die zelluläre Fitness reduziert. Dies ist ein starker Kontrast zur publizierten Überlebensfunktion von Interleukin-7 beim adaptiven Immunsystem. Der erniedrigte Interleukin-7 Serumspiegel und die veränderten Immunzellpopulation sprechen für eine wichtige Rolle von Interleukin-7 bei Leberzirrhose. Aufgrund unserer Daten scheint Interleukin-7 ein interessanter Kandidat für die Immuntherapie von Leberzirrhose und akut-auf-chronischem-Leberversagen.
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The liver as the biggest endocrine gland of the human body plays a central role in many metabolic pathways such as detoxification, storage of carbohydrates and distribution of lipids. As the liver receives blood supply f
The liver as the biggest endocrine gland of the human body plays a central role in many metabolic pathways such as detoxification, storage of carbohydrates and distribution of lipids. As the liver receives blood supply from the gut by the portal vein, liver cells are often challenged with high concentrations of nutrients and components of our commensal microbiota. Therefore, the immune system of the liver induces a tolerant state, meaning no or low inflammatory reactions to those constant stimuli. Yet, as various pathogens target the liver, the hepatic immune system also needs the capability to induce strong immune responses quickly. Chronical damage to the liver, which can be caused by alcohol, pathogens or toxins, might lead to liver cirrhosis, where the amount of functional liver tissue is decreased dramatically. This pathology can worsen and lead to acute-on-chronic liver failure, whose high mortality is due to high inflammation and multi-organ failure. Interleukin-7 is a cytokine known for its pro-survival functions especially in lymphopoiesis. However, it is also very important for maintenance of mature immune cells in the liver. As mouse experiments have demonstrated an induction of Interleukin-7 in the liver as a response to bacterial lipopolysaccharide, we aimed to characterize the role of Interleukin-7 in hepatic immunoregulation in both health and disease.
The experiments were mostly based on in vitro approaches. Induction of Interleukin-7 in liver cells was analyzed using ELISA, quantitative PCR, and Immunoblotting. Knockdown of signal transduction components was performed by siRNA transfection. Primary immune cells isolated from healthy donor buffy coat were studied for their ability to respond to Interleukin-7. Activation of downstream signal transduction was assessed by Immunoblotting. Functional consequences of Interleukin-7 signaling, such as alterations in cellular metabolism, cellular survival and endotoxin tolerance, were studied in monocyte-derived macrophages. Finally, serum concentrations of Interleukin-7 and frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cells were quantified in patients with compensated or decompensated liver cirrhosis or acute-on-chronic liver failure.
Interleukin-7 expression could be observed in human hepatic cell lines and primary hepatic sinusoidal endothelial cells when stimulated with IFNα or IFNγ, but not IFNλ. IRF-1 was identified as a key regulator of Interleukin-7 expression, as its transcription, translation and nuclear translocation were induced and enhanced upon IFNα or IFNγ, but not IFNλ treatment. We identified LPS-primed macrophages as innate immune target cells of Interleukin-7, which responded by an inhibitory phosphorylation of GSK3. This signal transduction led to enhanced production of pro-inflammatory cytokines and abolished endotoxin tolerance. In parallel, cellular fitness was reduced as demonstrated by reduced intracellular ATP concentration and intracellular WST-1 staining. Finally, we could identify components of the in vitro signal transduction also in liver cirrhosis patients. However, Interleukin-7 serum concentrations were significantly in liver cirrhosis patients compared to healthy controls. In addition, the frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations differed in patients and controls.
We identify Interleukin-7 as a pro-inflammatory cytokine in hepatic immunoregulation. It is part of a cascade where its induction is regulated by type I and type II Interferons and mainly restricted by the presence of IRF1. We demonstrate the importance of Interleukin-7 also for innate immune cells, where the abolishment of endotoxin tolerance may provide an interesting strategy of liver cirrhosis patients. In addition, reduced viability of macrophages in response to Interleukin-7 is a striking contrast to the well-described survival functions in lymphocytes. The decrease of serum Interleukin-7 levels and alterations of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations suggest an important role for Interleukin-7 also in the diseased liver. Due to the identified mechanisms of action, Interleukin-7 may be an interesting candidate for immunotherapeutic approaches of liver cirrhosis and acute-on-chronic liver failure.
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Metadaten
Author:Sabrina Rüschenbaum
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-473466
Referee:Rolf Marschalek, Christian Lange
Advisor:Rolf Marschalek
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Year of first Publication:2018
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2018/07/13
Release Date:2018/09/03
Pagenumber:108
HeBIS PPN:435617311
Institutes:Pharmazie
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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