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Untersuchungen zu molekularer Expressionsregulation und biologischer
Funktion von Interleukin-22
(2011)
IL-22 wird hauptsächlich von aktivierten Leukozyten produziert, wirkt aber ausschließlich auf nicht-leukozytäre Zellen vor allem epithelialen Ursprungs. Die Funktionen des Zytokins sind strikt kontextabhängig. Einerseits aktiviert es bei infektionsgetriebenen Entzündungen die angeborene Immunität und wirkt gewebeprotektiv, andererseits weist IL-22 im Rahmen von Autoimmunerkrankungen pathogenes Potenzial auf, was vor allem auf die proliferationsfördernde Aktivität des Zytokins zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Regulation der humanen IL-22 Expression auf molekularer Ebene charakterisiert. Insbesondere die Regulation des humanen IL-22 Promotors ist bislang nicht untersucht. Darüber hinaus wurden einige biologische Eigenschaften des Zytokins näher beleuchtet. Durch Untersuchungen an der gut charakterisierten humanen T-Zelllinie Jurkat sowie durch ergänzende Versuche an humanen Primärzellen (PBMC, CD3+ T-Zellen) konnte eine relevante Funktion der Transkriptionsfaktoren NF-ATc2 und CREB sowie des IKK/NF-ΚB Signalweges bei der Regulation der IL-22 Expression nachgewiesen werden. Sowohl für NF-ATc2 als auch für den IKK-Komplex konnte dabei CsA Sensitivität gezeigt werden. CsA wird, wenn nötig, in der Therapie schwerer Verlaufsformen der Psoriasis eingesetzt und bewirkt in den Patienten unter anderem eine Reduktion der im Rahmen der Erkrankung beobachteten IL-22 Expression. Die hier vorgestellten Ergebnisse belegen erstmals eine direkte Rolle von CsA in der Reduktion der IL-22 Produktion bei immunmodulatorischer Therapie. Darüber hinaus konnte ich am Beispiel von B. burgdorferi zeigen, dass PBMC unter dem Einfluss extrazellulärer Bakterien Mediatoren freisetzen, welche die Aktivierung des IL-22 Promotors in benachbarten T-Zellen initiieren können. Dies passt zu Befunden, die belegen, dass PBMC nach Aktivierung durch B. burgdorferi eine rapide IL-22 Sekretion zeigen. Interessanterweise wird IL-17 in der frühen Phase der Aktivierung von PBMC durch B. burgdorferi nicht synthetisiert. Damit ergeben sich neue Einblicke in die Pathogenese der Spirochäteninfektion. So könnte IL-22 einen wichtigen Beitrag zum Schutz vor der borrelienassoziierten Lyme Borreliose leisten und die mangelhafte Immunabwehr, verursacht durch das Fehlen von IL-17, kompensieren. Außerdem konnte ich in der hier vorgelegten Arbeit belegen, dass Leberzirrhosepatienten signifikant erhöhte IL-22 Serumspiegel aufweisen. Da auch in Biopsien zirrhotischer Lebern IL-22 immunhistochemisch, vor allem in nicht-parenchymalen Zellen nachweisbar war, scheint die Leber der Syntheseort des im Serum detektierbaren Zytokins zu sein. Interessanterweise korrelierte IL-22 nicht nur mit der Mortalitätsrate bei Leberzirrhose, sondern auch mit der Krankheitsaktivität der betreffenden Patienten. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt der hier vorgelegten Arbeit war die Identifizierung neuer IL-22 induzierbarer Gene. Dies geschah unter Verwendung der IL-22 responsiven, gut carakterisierten Kolonkarzinomzelllinien DLD-1 und Caco-2. Eine genomweite Expressionsstudie führte dabei zur Identifikation neuer IL-22 induzierbarer Gene, unter denen sich insbesondere CEACAM5 und NNMT befanden. Beide Proteine spielen eine Rolle in der Karzinogenese und könnten als bisher unbekannte Bindeglieder zwischen IL-22 und der Entstehung und Metastasierung maligner Entartungen fungieren. Darüber hinaus könnte sich durch NNMT, ein Enzym, das vornehmlich in der Leber exprimiert wird, eine Verbindung zur Rolle von IL-22 bei Leberzirrhose ergeben. Zusammengefasst eröffnen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit nicht nur neue Einblicke in die Biologie von IL-22, sondern auch potenzielle Ansätze zur Therapie diverser Erkrankungen. So ist denkbar, in der Behandlung IL-22 getriebener Autoimmunerkrankungen, wie z.B. Psoriasis, auf die von starken Nebenwirkungen begleitete Verabreichung von CsA zu verzichten und stattdessen, beispielsweise durch Inhibierung des IKK-Komplexes, regulatorisch auf IL-22 einzuwirken. Neben einer möglichen Beteiligung von CEACAM5 und NNMT an IL-22/STAT3 vermittelter Karzinogenese, implizieren die hier vorgestellten Ergebnisse eine Funktion des Zytokins bei Borrelieninfektion und Leberzirrhose, wobei die genauen Aufgaben von IL-22 im Rahmen dieser Krankheitsbilder bislang unbekannt sind. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine Modulation der IL-22 Spiegel für die Therapie der jeweiligen Erkrankungen in Frage kommen könnte. Zumindest bei Leberzirrhose könnte die IL-22 Serumkonzentration aufgrund der hier vorgelegten Ergebnisse allerdings jetzt schon als neuer prognostischer Marker herangezogen werden.
Interleukin-22 predicts severity and death in advanced liver cirrhosis: a prospective cohort study
(2012)
Background: Interleukin-22 (IL-22), recently identified as a crucial parameter of pathology in experimental liver damage, may determine survival in clinical end-stage liver disease. Systematic analysis of serum IL-22 in relation to morbidity and mortality of patients with advanced liver cirrhosis has not been performed so far.
Methods: This is a prospective cohort study including 120 liver cirrhosis patients and 40 healthy donors to analyze systemic levels of IL-22 in relation to survival and hepatic complications.
Results: A total of 71% of patients displayed liver cirrhosis-related complications at study inclusion. A total of 23% of the patients died during a mean follow-up of 196 +/- 165 days. Systemic IL-22 was detectable in 74% of patients but only in 10% of healthy donors (P <0.001). Elevated levels of IL-22 were associated with ascites (P = 0.006), hepatorenal syndrome (P <0.0001), and spontaneous bacterial peritonitis (P = 0.001). Patients with elevated IL-22 (>18 pg/ml, n = 57) showed significantly reduced survival compared to patients with regular ([less than or equal to]18 pg/ml) levels of IL-22 (321 days versus 526 days, P = 0.003). Other factors associated with overall survival were high CRP ([greater than or equal to]2.9 mg/dl, P = 0.005, hazard ratio (HR) 0.314, confidence interval (CI) (0.141 to 0.702)), elevated serum creatinine (P = 0.05, HR 0.453, CI (0.203 to 1.012)), presence of liver-related complications (P = 0.028, HR 0.258 CI (0.077 to 0.862)), model of end stage liver disease (MELD) score [greater than or equal to]20 (P = 0.017, HR 0.364, CI (0.159 to 0.835)) and age (P = 0.011, HR 1.047, CI (1.011 to 1.085)). Adjusted multivariate Cox proportional-hazards analysis identified elevated systemic IL-22 levels as independent predictors of reduced survival (P = 0.007, HR 0.218, CI (0.072 to 0.662)).
Conclusions: In patients with liver cirrhosis, elevated systemic IL-22 levels are predictive for reduced survival independently from age, liver-related complications, CRP, creatinine and the MELD score. Thus, processes that lead to a rise in systemic interleukin-22 may be relevant for prognosis of advanced liver cirrhosis.
If insufficiently treated, Lyme borreliosis can evolve into an inflammatory disorder affecting skin, joints, and the CNS. Early innate immunity may determine host responses targeting infection. Thus, we sought to characterize the immediate cytokine storm associated with exposure of PBMC to moderate levels of live Borrelia burgdorferi. Since Th17 cytokines are connected to host defense against extracellular bacteria, we focused on interleukin (IL)-17 and IL-22. Here, we report that, despite induction of inflammatory cytokines including IL-23, IL-17 remained barely detectable in response to B. burgdorferi. In contrast, T cell-dependent expression of IL-22 became evident within 10 h of exposure to the spirochetes. This dichotomy was unrelated to interferon-gamma but to a large part dependent on caspase-1 and IL-1 bioactivity derived from monocytes. In fact, IL-1beta as a single stimulus induced IL-22 but not IL-17. Neutrophils display antibacterial activity against B. burgdorferi, particularly when opsonized by antibodies. Since neutrophilic inflammation, indicative of IL-17 bioactivity, is scarcely observed in Erythema migrans, a manifestation of skin inflammation after infection, protective and antibacterial properties of IL-22 may close this gap and serve essential functions in the initial phase of spirochete infection.
IL-22 is an immunoregulatory cytokine displaying pathological functions in models of autoimmunity like experimental psoriasis. Understanding molecular mechanisms driving IL-22, together with knowledge on the capacity of current immunosuppressive drugs to target this process, may open an avenue to novel therapeutic options. Here, we sought to characterize regulation of human IL22 gene expression with focus on the established model of Jurkat T cells. Moreover, effects of the prototypic immunosuppressant cyclosporin A (CsA) were investigated. We report that IL-22 induction by TPA/A23187 (T/A) or αCD3 is inhibited by CsA or related FK506. Similar data were obtained with peripheral blood mononuclear cells or purified CD3(+) T cells. IL22 promoter analysis (-1074 to +156 bp) revealed a role of an NF-AT (-95/-91 nt) and a CREB (-194/-190 nt) binding site for gene induction. Indeed, binding of CREB and NF-ATc2, but not c-Rel, under the influence of T/A to those elements could be proven by ChIP. Because CsA has the capability to impair IκB kinase (IKK) complex activation, the IKKα/β inhibitor IKKVII was evaluated. IKKVII likewise reduced IL-22 induction in Jurkat cells and peripheral blood mononuclear cells. Interestingly, transfection of Jurkat cells with siRNA directed against IKKα impaired IL22 gene expression. Data presented suggest that NF-AT, CREB, and IKKα contribute to rapid IL22 gene induction. In particular the crucial role of NF-AT detected herein may form the basis of direct action of CsA on IL-22 expression by T cells, which may contribute to therapeutic efficacy of the drug in autoimmunity.