IL-38 as a new regulator of the resolution of inflammation

The interleukin (IL)-1 family has been described for its numerous involvement in the regulation of inflammatory processes. Certain members are able to induce inflammation, whereas others have the capacity to inhibit infl
The interleukin (IL)-1 family has been described for its numerous involvement in the regulation of inflammatory processes. Certain members are able to induce inflammation, whereas others have the capacity to inhibit inflammation. The newly discovered IL-1 family member IL-38 shows interesting and innovative properties. While most of these cytokines are pro-inflammatory mediators, IL-38 appears to enter the smaller circle of anti-inflammatory mediators. As a pattern, IL-38 appears to suppress IL-17-driven chronic or auto-inflammation by working as receptor antagonist. These properties, as well as its beneficial effects in models of inflammatory and autoimmune diseases suggest the possibility of IL-38-based therapies. Nevertheless, its role in the resolution of acute inflammation, thereby preventing chronic inflammation, remains unclear.
The first part of my thesis elucidated the role of IL-38 in the resolution of inflammation. I found that the complete absence of IL-38 in IL-38 KO mice leads to a delayed resolution of inflammation in the zymosan-induced peritonitis mouse model, compared to WT mice. This was marked by a persistent neutrophilia and a lower production of pro-resolving mediators during the resolution phase, such as TGFβ1 production from macrophages following efferocytosis of apoptotic cells. Reduced TGFβ1 production from macrophages coincided with reduced levels of regulatory T cells (Tregs), which are known to promote the resolution of inflammation. Unexpectedly, the TGFβ1 production capacity of macrophages did not influence the induction of Tregs from naïve T cells. Rather, IL-38 KO mice had an accumulation of Tregs in the thymus compared to WT mice. This was caused by an impairment of CD62L expression at the surface of Tregs, which is required for Tregs migration outside of the thymus. Higher Treg numbers in the thymus correlated with lower level of Tregs in peripheral lymphoid organs. Importantly, CD62L expression at the surface of IL-38 KO Tregs in the thymus was restored by injecting IL-38 i.p. for 24h. These data indicate a potential key function of IL-38 in the regulation of Treg migration, which is triggered in many cases of autoimmunity.
The second part of my thesis was to study the role of IL-38 in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) development, given that EAE is IL-17-dependent. Unexpectedly, IL-38-deficient mice showed strongly reduced clinical scores and histological markers of EAE. This came with reduced inflammatory cell infiltrates, as well as reduced expression of inflammatory markers in the spinal cord. IL-38 mRNA was detected in the spinal cord, mainly by resident and infiltrated phagocytes, but also by other cells, such as ependymal cells. IL-38 was upregulated upon pro-inflammatory stimulation of bone marrow-derived macrophages, and its presence was necessary for a complete activation of inflammatory macrophages. My data suggest an alternative cell-intrinsic role of IL-38 in macrophages to promote inflammation in the central nervous system.
In the last part of my thesis, I initiated a project on the function of IL-38 in B cell physiology and antibody production, given the fact that IL-38 is expressed by B cells. I generated preliminary data showing that the absence of IL-38 in mice decreased antibody production. Furthermore, I showed that IL-38 is particularly expressed by plasma cells in human tonsils. This project remains open and further studies will be conducted to investigate how IL-38 regulates antibody production, both in physiological and autoimmune settings. Understanding the role of IL-38 in autoantibody production could lead to original and innovative therapy for patients suffering from auto-inflammatory disease.
In summary, the different projects of my thesis provide evidence that the pro-resolving function of IL-38 may be indirectly linked to the retention of Tregs in the thymus. Moreover, a possible intracellular role of IL-38 within macrophages was described showing opposite properties in the regulation of inflammation. This function could be causatively involved in EAE development. However, further studies remain to be done to find the mechanism of action by which IL-38 regulates Tregs egression and how it influences the EAE development. Complete understanding of the IL-38 biology and differentiation between its extra- vs potential intracellular functions could make it a promising therapeutic target for chronic inflammatory or autoimmune diseases.
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Die Interleukin (IL)-1-Familie ist an der Regulation entzündlicher Prozesse maßgeblich beteiligt. Bestimmte Mitglieder dieser Proteinfamilie können Entzündungen auslösen, während andere Entzündungen hemmen können. Das ne
Die Interleukin (IL)-1-Familie ist an der Regulation entzündlicher Prozesse maßgeblich beteiligt. Bestimmte Mitglieder dieser Proteinfamilie können Entzündungen auslösen, während andere Entzündungen hemmen können. Das neu entdeckte IL-1-Familienmitglied IL-38 zeigt interessante, unkonventionelle Eigenschaften. Während die meisten IL-1-Familie Zytokine Entzündungen fördern, scheint IL-38 zum kleineren Kreis der entzündungshemmenden Mediatoren zu gehören. Ganz generell unterdrückt IL-38 IL-17-bedingte chronische oder Autoentzündungen, indem es als Rezeptorantagonist wirkt, was die Möglichkeit von IL-38-basierten Therapien bei diesen Erkrankungen nahelegt. Dennoch bleibt seine Rolle bei der Auflösung akuter Entzündungen und damit letztlich der Verhinderung chronischer Entzündungen unklar.
Der erste Teil meiner Arbeit untersuchte die Rolle von IL-38 bei der Auflösung von Entzündungen. Ich fand heraus, dass das vollständige Fehlen von IL-38 in IL-38-KO-Mäusen zu einer verzögerten Auflösung der Entzündung im Zymosaninduzierten Peritonitis-Mausmodell im Vergleich zu WT-Mäusen führt. Dies war durch eine anhaltende Neutrophilie und eine geringere Produktion von proauflösenden Mediatoren, wie TGFβ1 aus Makrophagen nach Efferozytose apoptotischer Zellen, während der Auflösungsphase der Entzündung gekennzeichnet. Die TGFβ1-Produktion aus Makrophagen korrelierte mit einer verringerten Menge an regulatorischen T-Zellen (Tregs), von denen bekannt ist, dass sie die Auflösung von Entzündungen fördern. Die TGFβ1-Produktion von Makrophagen hatte selbst jedoch keinen Einfluss auf die Induktion von Tregs aus naiven T-Zellen. Vielmehr zeigten IL-38 KO-Mäuse im Vergleich zu WT-Mäusen eine Akkumulation von Tregs im Thymus. Dies wurde durch eine geringere CD62L-Expression an der Oberfläche von Tregs verursacht, die für die TregEmigration aus dem Thymus erforderlich ist. Höhere Treg-Zahlen im Thymus korrelierten mit einem niedrigeren Treg-Spiegel in peripheren lymphoiden Organen. Eine Injektion von IL-38 i.p. für 24h stellte die CD62L-Expression an der Oberfläche von IL-38-KO-Tregs im Thymus wieder her. Diese Daten weisen auf eine mögliche Schlüsselfunktion von IL-38 bei der Regulierung der TregMigration hin, die in vielen Fällen von Autoimmunität ausgelöst wird.
Der zweite Teil meiner Arbeit bestand darin, die Rolle von IL-38 bei der experimentellen Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) zu untersuchen, da die EAE IL17-abhängig ist. Unerwarteterweise zeigten IL-38-defiziente Mäuse stark reduzierte klinische Scores und histologische Marker für EAE. Dies ging mit reduzierten Infiltraten entzündlicher Zellen, sowie einer verringerten Expression von Entzündungsmarkern im Rückenmark einher. IL-38-mRNA wurde im Rückenmark hauptsächlich von residenten und infiltrierten Phagozyten, aber auch von anderen Zellen wie Ependymzellen nachgewiesen. IL-38 wurde nach proinflammatorischer Stimulation von aus Knochenmark stammenden Makrophagen hochreguliert, und sein Vorhandensein war für eine vollständige Aktivierung von Makrophagen notwendig. Meine Daten legen daher eine alternative zellintrinsische Rolle von IL-38 in Makrophagen nahe, was Entzündungen im Zentralnervensystem fördert.
Der letzte Teil meiner Arbeit beschäftigte sich mit der Funktion von IL-38 in der B-Zell-Physiologie und der Antikörperproduktion, da IL-38 von B-Zellen exprimiert wird. Vorläufige Daten zeigen, dass das Fehlen von IL-38 in Mäusen die Antikörperproduktion verringert. Darüber wird IL-38 insbesondere von Plasmazellen in menschlichen Tonsillen exprimiert. Dieses Projekt bleibt offen und es müssen weitere Studien durchgeführt werden, um zu untersuchen, wie IL-38 die Antikörperproduktion sowohl in physiologischen als auch in Autoimmunumgebungen reguliert. Das Verständnis der Rolle von IL-38 bei der Autoantikörperproduktion könnte zu einer originellen und innovativen Therapie für Patienten führen, die an einer entzündungshemmenden Erkrankung leiden.
Zusammenfassend zeigt meine Arbeit, dass die pro-auflösende Funktion von IL38 indirekt mit der Retention von Tregs im Thymus zusammenhängt. Darüber hinaus wurde eine mögliche intrazelluläre Rolle von IL-38 in Makrophagen beschrieben, die entgegengesetzte Eigenschaften bei der Regulation der Entzündung zeigt. Diese Funktion könnte ursächlich an der EAE-Entwicklung beteiligt sein. Es müssen jedoch noch weitere Studien durchgeführt werden, um zugrundeliegende Wirkmechanismen zu ermitteln. Ein umfassendes Verständnis der IL-38-Biologie und die Unterscheidung zwischen extra- und potenziellen intrazellulären Funktionen könnte IL-38 zu einem vielversprechenden therapeutischen Ziel für chronisch entzündliche oder Autoimmunerkrankungen machen.
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Metadaten
Author:Arnaud Huard
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-592005
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Andreas Weigert, Heiko Mühl
Advisor:Andreas Weigert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/03/23
Year of first Publication:2020
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2021/03/22
Release Date:2021/04/14
Pagenumber:106
HeBIS PPN:47813035X
Institutes:Medizin
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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