Die Rolle der angeborenen lymphoiden Zellen in der Pathogenese von Colitis ulcerosa und Morbus Crohn
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Background and Objectives: Innate lymphoid cells (ILCs) are important key players of mucosal immunity although their functional characterization, particulary in the pathogenesis of inflammatory bowel diseases (IBD), still remains incomplete. The presence of Precursor ILCs in the peripheral blood and in the intestinal mucosa of the adult organism led to the hypothesis that ILCs are able to migrate into tissue and differentiate in response to local signals (Lim et al. 2017). This phenomen could explain the accumulation of ILC subpopulations in the intestinal mucosa under inflammatory conditions (Bernink et al. 2013; Forkel et al. 2019). In principle, the migration of circulating immune cells into intestinal tissue is regulated by specific integrins and chemokine receptors expressed on their cell surface which are referred to accordingly as intestinal homing markers (Hynes 2002; Nguyen et al. 2015). However, which regulatory mechanisms influence a possible migration of ILCs has not yet been explored in sufficient detail so far.
Design & Methods: Flow cytometric identification and characterization of human ILCs as lineageneg CD127+ CD7+ lymphoid cells and their different subpopulations (Precursor-like ILCs, ILC1s, ILC2s and ILC3s) were performed based on a protocol first described by Lim et al. (Lim et al. 2017). This study includes samples from the peripheral blood of 25 patients with ulcerative colitis, 35 patients with Crohn´s disease and 24 healthy subjects as well as from the intestinal tissue of 20 ulcerative colitis patients and 16 Crohn´s disease patients. Furthermore, the expression of the intestinal homing markers integrin αE, integrin β7 and the G protein-coupled receptor GPR15 was investigated on the surface of circulating ILCs.
Observations & Results: The circulating ILCs of IBD patients were characterized by a significantly decreased proportion of Precursor-like ILCs (CD117+ CRTH2neg CCR6neg ILCs) in total ILCs compared to healthy subjects. In addition, an increased proportion of the ILC1 fraction (CD117neg CRTH2neg ILCs) was detected in ulcerative colitis patients and tended to be present in Crohn´s disease patients, whereas the proportion of ILC3s (CD117+ CRTH2neg CCR6+ ILCs) and ILC2s (CRTH2+ ILCs) in total circulating ILCs showed no differences. In the intestinal mucosa of IBD patients only a few Precursor-like ILCs could be detected overall. However, inflamed intestinal sections of ulcerative colitis patients tended to show an accumulation of this particular ILC fraction compared to non-inflamed areas. Furthermore, ILC1s and ILC3s in particular were more abundant in the intestinal tissue of IBD patients. Further characterization of circulating ILCs revealed a significantly decreased proportion of GPR15+ total ILCs and GPR15+ Precursor-like ILCs in the peripheral blood of ulcerative colitis patients, whereas this intestinal homing marker was expressed on the respective ILC subpopulations of a substantial proportion of healthy subjects and Crohn´s disease patients. This phenomen was also detected for ILC1s and ILC2s. Interestingly, similar results were observed in Crohn´s disease patients in whom disease manifestation was restricted to the colon. On the other hand, further analyzed intestinal homing markers (integrin αE and integrin β7) showed unchanged and overall low levels in all groups of subjects on the surface of the different ILC subpopulations.
Conclusions: Our data support the idea that circulating ILCs and in particular circulating Precursor ILCs in the context of chronic intestinal inflammation migrate to a greater extend into the intestinal tissue, where they might subsequently differentiate into mature ILCs (Lim et al. 2017). In this regard, the intestinal homing marker GPR15 appears to possibly support the targeted migration of circulating ILCs into the inflamed colon. However, intestinal tissue samples from healthy subjects and the expression of GPR15 on intestinal ILCs should be studied in future to further confirm the hypotheses raised here.
Abstract
Hintergrund und Ziele: Angeborene lymphoide Zellen (ILCs) sind ein wichtiger Teil der mukosalen Immunität, jedoch ist ihre funktionelle Rolle insbesondere in der Pathogenese der chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) bisher nur unvollständig verstanden. Die Entdeckung von Precursor ILCs im peripheren Blut und im intestinalen Gewebe führten zu der Hypothese, dass ILCs auch im erwachsenen Organismus die Fähigkeit besitzen, ins Gewebe zu migrieren und abhängig von lokalen Umweltsignalen zu differenzieren (Lim et al. 2017). Dies könnte die Akkumulation von einzelnen ILC Subpopulationen im entzündeten intestinalen Gewebe erklären (Bernink et al. 2013; Forkel et al. 2019). Grundsätzlich wird die Migration von zirkulierenden Immunzellen ins intestinale Gewebe über spezifische auf der Zelloberfläche exprimierte Integrine und Chemokinrezeptoren reguliert, die entsprechend auch als Darm-Homing-Marker bezeichnet werden (Hynes 2002; Nguyen et al. 2015). Welche Regulationsmechanismen jedoch eine mögliche Migration der ILCs beeinflussen, ist bisher noch nicht in ausreichendem Maße erforscht.
Methoden (Patienten, Material und Untersuchungsmethoden): Es erfolgten anhand eines erstmals von Lim et al. beschriebenen Protokolls (Lim et al. 2017) die durchflusszytometrische Identifikation und Charakterisierung der humanen ILCs als Lineageneg CD127+ CD7+ lymphoide Zellen und ihrer verschiedenen Subpopulationen (Precursor-like ILCs, ILC1s, ILC2s und ILC3s) im peripheren Blut von 25 Patienten mit Colitis ulcerosa, 35 Patienten mit Morbus Crohn und 24 gesunden Probanden sowie im intestinalen Gewebe von 20 Colitis ulcerosa-Patienten und 16 Morbus Crohn-Patienten. Weiterhin wurde die Expression der Darm-Homing-Marker Integrin αE, Integrin β7 und des G-Protein-gekoppelten Rezeptors GPR15 auf der Oberfläche der zirkulierenden ILCs untersucht.
Ergebnisse und Beobachtungen: Die zirkulierenden ILCs der CED-Patienten zeichneten sich im Vergleich zu gesunden Probanden durch einen signifikant verminderten Anteil an Precursor-like ILCs (CD117+ CRTH2neg CCR6neg ILCs) an den Gesamt-ILCs aus. Zudem konnte ein erhöhter Anteil der ILC1 Fraktion (CD117neg CRTH2neg ILCs) bei Colitis ulcerosa-Patienten und tendenziell auch bei Morbus Crohn-Patienten ermittelt werden, wohingegen der Anteil an ILC3s (CD117+ CRTH2neg CCR6+ ILCs) und ILC2s (CRTH2+ ILCs) an den zirkulierenden Gesamt-ILCs keine Unterschiede aufzeigte. Im intestinalen Gewebe von CED-Patienten konnten insgesamt nur wenige Precursor-like ILCs detektiert werden, jedoch wiesen entzündete Darmabschnitte von Colitis ulcerosa-Patienten gegenüber nicht entzündeten Bereichen tendenziell eine Akkumulation dieser ILC Fraktion auf. Weiterhin waren insbesondere die ILC1s und die ILC3s im intestinalen Gewebe der CED-Patienten verstärkt vertreten. Bei der weiteren Charakterisierung der zirkulierenden ILCs konnte bei Patienten mit Colitis ulcerosa ein signifikant verminderter Anteil an GPR15+ Gesamt-ILCs und GPR15+ Precursor-like ILCs im peripheren Blut ermittelt werden, während ein wesentlicher Anteil von gesunden Probanden und Morbus Crohn-Patienten diesen Kolon-Homing-Marker auf den entsprechenden ILC Subpopulationen exprimierten. Auch bei den ILC1s und ILC2s konnte dieses Phänomen beobachtet werden. Interessanterweise zeigten sich ähnliche Ergebnisse auch bei Morbus Crohn-Patienten mit einer auf das Kolon beschränkten Krankheitsmanifestation. Weitere von uns analysierte Darm-Homing-Marker (Integrin αE und Integrin β7) zeigten sich dagegen auf der Oberfläche der verschiedenen ILC Subpopulationen bei allen Probandengruppen auf unverändert niedrigem Niveau.
Schlussfolgerungen und Diskussion: Unsere Daten unterstützen die Idee, dass zirkulierende ILCs und insbesondere die zirkulierenden Precursor ILCs im Rahmen einer chronischen Darmentzündung vermehrt ins intestinale Gewebe migrieren, wo sie anschließend zu reifen ILCs differenzieren (Lim et al. 2017). Dabei scheint der Kolon-Homing-Marker GPR15 möglicherweise eine gezielte Migration der zirkulierenden ILCs ins entzündete Kolon zu unterstützen. Jedoch sollten in Zukunft intestinale Gewebeproben von gesunden Probanden sowie die Expression von GPR15 auf den ILCs des intestinalen Gewebes untersucht werden, um die hier aufgestellten Hypothesen weiterführend zu bestätigen.