Dendritic cells as cellular targets of gut-liver communication in chronic liver disease and hepatocellular carcinogenesis

Beckers, Anika; Panstruga, Ralph; Berres, Marie-Luise

doi:44729

Dendritic cells as cellular targets of gut-liver communication in chronic liver disease and hepatocellular carcinogenesis

Beckers, Anika^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anika Beckers, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Panstruga, Ralph (Thesis advisor)^RWTH* ; Berres, Marie-Luise (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-09-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08313
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1019294/files/1019294.pdf

Einrichtungen

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Leber ist als zentrales metabolisches Organ durch ihre anatomische Lage kontinuierlich intestinalen Einflüssen ausgesetzt. Diese besondere Situation begünstigt die Entwicklung einer spezialisierten Immuntoleranz, an deren Aufrechterhaltung dendritische Zellen (DCs) maßgeblich beteiligt sind. Sie regulieren das Gleichgewicht zwischen Immunaktivierung und immunologischer Toleranz, insbesondere im Kontext chronischer Lebererkrankungen (CLD) und hepatozellulärer Karzinome (HCC). Die Darm-Leber-Achse nimmt dabei eine zentrale Rolle in der Krankheitsprogression ein, da portale Hypertension und eine erhöhte intestinale Permeabilität die mikrobielle Translokation und die Aktivierung entzündlicher Signalwege begünstigen, welche wiederum die Funktion der DCs modulieren können. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Darm-Leber-Achse auf konventionelle DC-Subpopulationen (cDC1 und cDC2) im Kontext von CLD und HCC zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass intestinale Permeabilität und mikrobielle Translokation die intrahepatische DC-Zusammensetzung Ätiologie-abhängig modulieren. Eine cDC1-Dominanz ist mit einer erhöhten Überlebensrate bei CLD-Patienten assoziiert, während eine Expansion der cDC2s mit fortschreitender Erkrankung in Verbindung steht. Analysen an Mausmodellen zur toxisch-induzierten Leberfibrose (CCl4), HCC (CCl4/DEN) sowie an humanem Lebergewebe (NASH und NASH-HCC) zeigten konsistent eine Verschiebung von cDC1 hin zu cDC2. Dabei war die Aktivierung von cDC1 vermindert bei gleichzeitig erhöhter PD-L1-Expression, ein Hinweis auf reduzierte Immun-Reaktivität. Die PD-L1-Expression von cDC2 variierte je nach Ätiologie und deutet auf unterschiedliche immunsuppressive Mechanismen hin. Die Migration darmstämmiger DCs in die Leber konnte mithilfe photokonvertierbarer Dendra2-Mäuse nachgewiesen werden, was den direkten Einfluss der intestinalen Umgebung auf die hepatische Immunmikroumgebung unterstreicht. In einem JAM-A-Knockout-Mausmodell, das die bei CLD-Patienten beobachtete intestinale Barriere-Störung nachbildet, zeigte sich zudem, dass die erhöhte Permeabilität die Funktion hepatischer DCs in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Ätiologie beeinflusst. Während eine toxisch bedingte Leberschädigung mit einer supprimierten DC-Aktivierung einhergeht, führt NASH zu einem immunogenen, jedoch weiterhin tolerogenen DC-Phänotyp. Ergänzend offenbarte die Analyse zirkulierender cDCs aus Pfortader, Lebervene und peripherem Blut von CLD-Patienten eine unterschiedliche Verteilung von cDC1 und cDC2, was auf distinkte Beiträge dieser Subtypen zur intrahepatischen Immunantwort hinweist. Durch die gleichzeitige Analyse von Genexpression und Oberflächenproteinen einzelner Zellen durch Sequenzierung (Cite-seq) konnten darüber hinaus prähepatisch aktivierte Subpopulationen von cDC1, cDC2 und DC3 identifiziert werden. Innerhalb dieser Populationen zeigte sich ein differenzierter Reifungszustand, der dem sogenannten „mature regulatory dendritic cell“ (mregDC)-Phänotyp entspricht. mregDCs sind reife DCs, die sich durch eine gleichzeitige Expression aktivierender und immunregulatorischer Moleküle auszeichnen. Dieser Phänotyp tritt bevorzugt in chronisch entzündlichen oder tumorfördernden Mikromilieus auf und gilt als potenzieller Vermittler von T-Zell-Erschöpfung oder Toleranz. In der vorliegenden Arbeit zeigten insbesondere cDC1 Anzeichen eines mregDC-Phänotyps mit erhöhter inflammatorischer Aktivität und PD-L1-Expression, was auf eine immunmodulatorische Rolle in der hepatischen Immunantwort hindeutet und potenzielle Relevanz für Immun-Checkpoint-Therapien hat. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse dieser Arbeit die zentrale Rolle der Darm-Leber-Achse bei der Modulation hepatischer DCs. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Aktivierung verschiedener DC-Subtypen werden durch die intestinale Barrierefunktion und das Mikrobiom in Abhängigkeit von der Ätiologie beeinflusst, was direkte Auswirkungen auf die Progression von CLD und die Entwicklung von HCC hat. Die Identifikation spezifischer DC-Subtypen als potenzielle prognostische Marker und als therapeutische Zielstrukturen könnten neue Perspektiven für immunbasierte Therapieansätze eröffnen.

The liver is continuously exposed to gut derived factors via the portal vein which shapes a highly specialized immune-tolerant environment. Dendritic cells (DCs) play a crucial role in maintaining immune balance by preventing excessive activation while preserving immune surveillance. However, this delicate balance can be disrupted in chronic liver disease (CLD). In this condition, the gut-liver axis, driven by portal hypertension and increased intestinal permeability, facilitates microbial translocation and inflammatory signaling from the gut to the liver, potentially impairing the DCs to function and to contribute to immune dysregulation and hepatocellular carcinoma (HCC) progression. This thesis analyses how the gut-liver axis modulates conventional DCs subsets in CLD and HCC in an etiology-dependent manner. Our findings show that gut permeability and microbial translocation differentially shape intrahepatic DC subsets phenotype and function based on disease context. We demonstrate that cDC1s are associated with improved overall survival, while cDC2 expansion correlates with disease progression in an etiology-dependent manner. By analyzing experimental mouse models of toxic liver injury and HCC alongside human liver tissue samples from nonalcoholic steatohepatitis (NASH) and NASH-associated HCC patients, we observed a consistent shift from cDC1 to cDC2 dominance, independent of CLD etiology. Across all conditions, cDC1s exhibited reduced activation and increased programmed cell death ligand 1 (PD-L1) expression, suggesting an impaired immune responsiveness. Although cDC2s showed reduced activation, its PD-L1 expression varied by etiology, indicating the existence of distinct immunosuppressive mechanisms.Using the Dendra2 photoconvertible mouse model, we tracked gut derived DCs and confirmed their contribution to the intrahepatic immune landscape. This reinforces the gut-liver axis as a key determinant of hepatic immune regulation. Further analysis in the chronic gut-leakage JAM-A mouse model showed that CLD-associated gut permeability differentially affects the intrahepatic cDC functioning. In our toxin-induced CLD model, cDC activation was suppressed, while in the metabolic liver injury model, cDCs appeared to adopt a more immunogenic yet tolerogenic phenotype. Additionally, analysis of circulating cDC from the portal, hepatic, and peripheral veins in CLD patients revealed distinct subset distributions, highlighting their differential contributions to hepatic immunity. Cellular indexing of transcriptomes and epitopes by sequencing identified distinct cDC1, cDC2, and DC3 subsets, showing that these cells undergo pre-hepatic activation and acquire a mature DC phenotype enriched with immunoregulatory molecules (mregDC) in the intestinal microvasculature before reaching the liver. Notably, mregDC1s exhibited a highly activated inflammatory profile alongside elevated PD-L1 expression. These findings suggest that mregDC1 levels may serve as a predictive marker for immune checkpoint therapy response, potentially explaining their association with improved overall survival. This underscores the role of gut-liver immune interactions in preconditioning DC function and shaping intrahepatic immunity. In conclusion, this study highlights the gut-liver axis as a critical regulator of intrahepatic DC function, linking gut-derived immune modulation to CLD progression and HCC development. These insights indicate cDC subsets as potential prognostic markers and therapeutic targets, offering new opportunities for immune-based interventions in CLD and HCC.

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