Ρύθμιση της ανοσοαπάντησης στις ιδιοπαθείς φλεγμονώδεις νόσους του εντέρου και σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic remittent or progressive inflammation of the gastrointestinal tract that affects millions of people worldwide. This inflammatory condition encompasses two major forms known as Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC). The onset of IBD typically occurs in the second and third decades of life, with the majority of patients progressing to a relapsing and chronic disease. Although the precise cause of IBD has not yet been fully elucidated, recent advances in the understanding of the molecular pathogenesis of IBD have been made owning to three related lines of investigation. First, IBD has been amenable to the discovery of susceptibility genes. Secondly, it appears that commensal pathogens or their products rather than conventional flora, play a pivotal role in the dysregulated immunity typically observed in IBD cases. Thirdly, murine models that exhibit many of the features of UC seem to be driven bacterially and have helped to unravel the pathogenic mechanisms underlying IBD. Overall, it appears that an imbalance of the mucosal immune system leads to the overproduction of inflammatory cytokines, release of reactive oxygen metabolites and infiltration of immune cells into the intestine, resulting in uncontrolled intestinal inflammation and tissue damage. Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) constitute a diverse cell population made up of immature myeloid cells (IMCs), consisting of mostly progenitor cells of macrophages, granulocytes, dendritic cells and myeloid cells at early stages of differentiation. In mice, MDSCs are characterized by the co-expression of Gr-1 and CD11b markers, and are further divided into granulocytic and monocytic subset, defined as CD11b+Ly6G+Ly6Clow and CD11b+Ly6GlowLy6C+ cells, respectively. In humans, phenotypic characterization of MDSCs is challenging, due to lack of uniform criteria. Nevertheless, they are most commonly characterized by the expression of the myeloid marker CD33 and the lack of expression of the major histocompatibility complex (MHC) class-II molecule, human leukocyte antigen (HLA-DR) and several other lineage markers. Although most of our knowledge on the role of MDSCs in immune responses has been based on tumor bearing mice and cancer patients, increasing evidence has suggested their role in many pathological conditions, such as infections, transplantation and autoimmunity. Traditionally, MDSCs are considered as potent suppressors of immune responses through different mechanisms. However, recent literature highlighted their plasticity, denoting proinflammatory potential of specific subsets emerging in specific microenvironment. Despite the well-defined suppressive effects of MDSCs on T cell responses, their function in autoimmune diseases, like IBD, is controversial. In particular, the immunosuppressive function of MDSCs was suggested by several reports showing that CD11b+Gr1+ MDSCs are increased during intestinal inflammation. As is the case for murine colitis models, CD14+HLA-DRlow MDSCs with suppressive properties were also reported to be increased in the peripheral blood (PB) of IBD patients. On the other hand, recent studies supported a proinflammatory role of myeloid cells in experimental colitis, demonstrated that adoptively transferred colonic Ly6Chigh cells differentiated into inflammatory cells, contributing to intestinal inflammation. In this PhD thesis, we investigated the immunomodulatory properties of MDSCs in experimental inflammatory colitis and T cell-mediated immune responses in IBD patients.MDSCs (defined as CD14+HLA-DR-/lowCD33+CD15+ cells) numbers were determined in PB from IBD patients. PB MDSCs function was assessed in vitro. Experimental colitis was induced upon 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS) treatment and MDSCs were characterized by flow cytometry. The in vivo suppressive potential of bone marrow (BM)-derived MDSCs (BM-MDSCs) was tested by using both depleting and adoptive transfer strategies. MDSCs were enriched in the periphery of IBD patients during active disease. TNBS colitis induced amplification of MDSCs, particularly of the granulocytic (Ly6G+) subset during the effector phase of disease. Of interest, BM-MDSCs potently suppressed CD4+ T cell responses under steady state but failed to control colitis- associated immune responses in vivo. Mechanistically, under the colonic inflammatory milieu MDSCs switched phenotype (decreased proportion of Gr1high and increased numbers of Gr1low) and downregulated CCAAT/enhancer-binding protein beta (CEBPβ) expression, a critical transcription factor for the suppressive function of MDSCs. In accordance with the murine data, human CD33+CD15+MDSCs from PB of IBD patients not only failed to suppress autologous T cell responses but instead enhanced T cell proliferation in vitro. Our findings demonstrate an aberrant function of MDSCs in experimental inflammatory colitis and in IBD-associated immune responses in vitro. Delineation of the mechanisms that underlie the loss of MDSCs function in IBD may provide novel therapeutic targets.

Οι Ιδιοπαθείς Φλεγμονώδεις Νόσοι του Εντέρου (ΙΦΝΕ) είναι χρόνιες φλεγμονώδεις παθήσεις του πεπτικού σωλήνα, με υποτροπίαζοντα ή προοδευτικό χαρακτήρα που επηρρεάζουν εκατομμύρια ανθρώπων παγκοσμίως. Ο όρος ΙΦΝΕ περιλαμβάνει τη νόσο του Crohn και την ελκώδη κολίτιδα. Η ηλικία εμφάνισης της νόσου τοποθετείται συνήθως στη δεύτερη και τρίτη δεκαετία της ζωής, με την πλειονότητα των ασθενών να εμφανίζουν κλινική πορεία χαρακτηριζόμενη από υφέσεις και εξάρσεις. Αν και η ακριβής αιτιολογία των ΙΦΝΕ δεν έχει πλήρως αποσαφηνιστεί, θεωρείται νόσος πολυπαραγοντική. Φαίνεται ότι υπάρχει γενετική προδιάθεση, με υπεύθυνα συγκεκριμένα γονίδια που πιθανώς είναι ο πλέον σπουδαίος παράγοντας κινδύνου εμφάνισης των ΙΦΝΕ. Επιπλέον, η αλλαγή του μικροβιώματος δημιουργεί δυσβίωση μεταξύ ξενιστή και μικροβιώματος του εντέρου και αποτελεί σημαντικό παράγοντα του ξενιστή για την αιτιολογία της νόσου. Δεδομένα από πειραματικά μοντέλα κολίτιδας έχουν βοηθήσει σημαντικά στην κατανόηση των ανοσολογικών μηχανισμών που εμπλέκονται στην έναρξη και την εξέλιξη της νόσου. Συνολικά, φαίνεται ότι μία διαταραχή στο ανοσολογικό σύστημα του εντερικού βλεννογόνου οδηγεί σε υπερπαραγωγή φλεγμονωδών κυτταροκινών, απελευθέρωση μεσολαβητών οξειδωτικού στρες και διήθηση του εντέρου από φλεγμονώδη κύτταρα με αποτέλεσμα φλεγμονή του εντέρου και ιστική καταστροφή. Τα κατασταλτικά κύτταρα μυελικής προέλευσης (Myeoid-derived suppressor cells- MDSCs) αποτελούν έναν ετερογενή πληθυσμό κυττάρων που περιλαμβάνει μακροφάγα, κοκκιοκύτταρα, δενδριτικά κύτταρα και κύτταρα μυελικής σειράς σε πρώιμα στάδια διαφοροποίησης. Στα ποντίκια, τα MDSCs χαρακτηρίζονται από την έκφραση των Gr-1 και CD11b δεικτών και περιλαμβάνουν δύο υποομάδες κυττάρων: αυτά με μορφολογία παρόμοια με εκείνη των κοκκιοκυττάρων και φαινότυπο CD11b+Ly6G+Ly6Clow και αυτά με μορφολογία παρόμοια με εκείνα των μονοκυττάρων και φαινότυπο CD11b+Ly6GlowLy6C+. Στους ανθρώπους, ο φαινοτυπικός προσδιορισμός των MDSCs συνιστά πρόκληση, λόγω της έλλειψης ενιαίων κριτηρίων. Συνηθέστερα, χαρακτηρίζονται απο την έκφραση του δείκτη CD33 της μυελικής σειράς και την έλλειψη έκφρασης τόσο του μορίου τάξης ΙΙ του μείζονος συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας (MHC-ΙΙ), HLA-DR, όσο και άλλων δεικτών που χαρακτηρίζουν τις υπόλοιπες κυτταρικές σειρές του μυελού των οστών. Αν και ο ρόλος των MDSCs έχει κυρίως μελετηθεί σε πειραματικά μοντέλα καιασθενείς με καρκίνο, πρόσφατες μελέτες αναδεικνύουν το ρόλο αυτών σε πληθώρα παθολογικών καταστάσεων, όπως οι λοιμώξεις, η μεταμόσχευση και η αυτοανοσία. Παραδοσιακά, τα εν λόγω κύτταρα θεωρείται ότι καταστέλλουν την ανοσιακή απάντηση μέσω ποικίλων μηχανισμών. Ωστόσο, η πρόσφατη βιβλιογραφία επισημαίνει την πλαστικότητα αυτών των κυττάρων, δεδομένου ότι το εκάστοτε φλεγμονώδες περιβάλλον μπορεί να τους προσδώσει προφλεγμονώδεις ιδιότητες. Αν και οι κατασταλτικές ιδιότητες των MDSCs στις διαμεσολαβούμενες απο Τ κύτταρα ανοσιακές απαντήσεις είναι καλώς καθορισμένες, ο ρόλος αυτών στα αυτοάνοσα νοσήματα, όπως οι ΙΦΝΕ, είναι αμφιλεγόμενος. Πιο συγκεκριμένα, η ανοσοκατασταλτική δράση των MDSCs υποστηρίζεται από πολλές εργασίες που αναδεικνύουν την αύξηση των CD11b+Gr1+ MDSCs σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας. Παρομοίως, αύξηση των κατασταλτικών CD14+HLA-DRlow MDSCs περιγράφεται και στο περιφερικό αίμα ασθενών με ΙΦΝΕ. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες επισημαίνουν τον προφλεγμονώδη ρόλο των κυττάρων της μυελικής σειράς σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας, καθώς αυτόλογη μεταφορά Ly6Chigh κυττάρων εντερικού βλεννογόνου οδηγεί σε διαφοροποίηση των τελευταίων σε κύτταρα που προάγουν τη φλεγμονή του εντέρου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, το ενδιαφέρον εστιάστηκε στον ανοσορυθμιστικό ρόλο των MDSCs σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας, καθώς και στις ανοσιακές απαντήσεις που διαμεσολαβούνται από τα Τ κύτταρα σε ασθενείς με ΙΦΝΕ. Ο αριθμός των MDSCs (ταυτοποιούμενα ως CD14+HLA-DR-/lowCD33+CD15+ κύτταρα) προσδιορίστηκε στο περιφερικό αίμα ασθενών με ΙΦΝΕ, ενώ η δράση αυτών αξιολογήθηκε με in vitro δοκιμασίες. Το πειραματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ήταν αυτό της χημικά 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS) επαγόμενης κολίτιδας. Τα MDSCs χαρακτηρίστηκαν με τη μέθοδο της κυτταρομετρία ροής. Η in vivo ανοσοκατασταλτική δράση των MDSCs που καλλιεργήθηκαν από μυελό των οστών υγιών ποντικιών (BM-MDSCs) ελέγχθηκε τόσο με δοκιμασίες απαλοιφής όσο και αυτόλογης μεταφοράς. Η μελέτη σε ανθρώπινα δείγματα ασθενών με ΙΦΝΕ, ανέδειξε αύξηση του αριθμού των MDSCs στο περιφερικό αίμα ασθενών με ενεργό νόσο. Παρομοίως, τα MDSCs, ιδιαίτερα ο υποπληθυσμός που χαρακτηρίζεται ως Ly6G+, αυξήθηκε στα περιφερικά λεμφικά όργανα ποντικών με TNBS επαγόμενη κολίτιδα κατά την ενεργό φάση της νόσου. Αντίθετα με τις αρχικές προσδοκίες, η αυτόλογη μεταφορά BM-MDSCs σε ποντίκια με TNBS κολίτιδα απέτυχε να ελέγξει τη φλεγμονή in vivo. Περαιτέρω μελέτη του μηχανισμού δράσης των MDSCs, έδειξε ότι η έκθεση των εν λόγω κυττάρων στο φλεγμονώδες περιβάλλον της κολίτιδας οδηγεί σε αλλαγή του φαινότυπου (μείωση των Gr1high και αύξηση των Gr1low κυττάρων) αυτών, καθώς και σε μειωμένη έκφραση της πρωτεΐνης CCAAT/enhancer-binding protein beta (CEBPβ), η οποία αποτελεί μεταγραφικό παράγοντα κλειδί στην ανοσοκατασταλτική δράση των MDSCs. Σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της μελέτης στο πειραματικό μοντέλο κολίτιδας, MDSCs τα οποία απομονώθηκαν από περιφερικό αίμα ασθενών με ενεργό νόσο όχι μόνο δεν κατέστειλαν αλλά αντιθέτως ενίσχυσαν τον πολλαπλασιασμό αυτόλογων CD4+ Τ κυττάρων ex vivo. Συνολικά, τα δεδομένα αυτά αναδεικνύουν μια παράδοξη λειτουργία των MDSCs σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας, καθώς και στην in vitro ανοσιακή απάντηση ασθενών με ΙΦΝΕ. Η περαιτέρω κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν στην απώλεια του βασικού χαρακτηριστικού των MDSCs, που συνίσταται στην καταστολή των ανοσιακών απαντήσεων, θα μπορούσε να υποβοηθήσει στο σχεδιασμό νέων θεραπευτικών στόχων.