Enterohepatic cooperation in the postnatal establishment of immune homeostasis

Schwentker, Annika; Pabst, Oliver; Hornef, Mathias Walter; Blank, Lars M.

doi:10.18154/RWTH-2023-00928

Enterohepatic cooperation in the postnatal establishment of immune homeostasis = Enterohepatische Kooperation in der postnatalen Etablierung der Immunhomöostase

Schwentker, Annika^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Annika Schwentker, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hornef, Mathias Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Pabst, Oliver (Thesis advisor)^RWTH* ; Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-01-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00928
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/889044/files/889044.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Darm-Leber-Achse (frei) ; Darmbarriere (frei) ; Gut Barrier (frei) ; Gut-Liver-Axis (frei) ; Immunhomöostase (frei) ; LPS (frei) ; Neugeborene (frei) ; immune homeostasis (frei) ; intestinal permeability (frei) ; intestinale Permeabilität (frei) ; neonate (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die rasche Anpassung an extrauterines Leben nach der Geburt ist eine Herausforderung für den Wirt. Die Ernährung wird bei hohem Energiebedarf plötzlich von parental auf enteral umgestellt, was eine effiziente Nährstoffaufnahme im Darm erfordert und die erhöhte Darmpermeabilität für Makromoleküle während der ersten Lebenstage (vor der sogenannten gut closure) erklären könnte. Zudem muss sich das neonatale Immunsystem auf die rasche bakterielle Besiedlung und die plötzliche Exposition durch mikrobielle Stimuli einstellen. Aus dem Darm absorbierte Substanzen erreichen über die Pfortader zunächst die Leber, die sich bei Mäusen erst nach der Geburt gänzlich von einem hämatopoetischen zu einem metabolischen Organ wandelt. Die Mechanismen, die eine effiziente Nährstoffaufnahme ermöglichen, aber gleichzeitig eine unkontrollierte Exposition und Aktivierung des Immun-systems durch mikrobielle Stimuli verhindern, sind jedoch nicht gut definiert und waren Ziel der vorliegenden Untersuchung. Ich konnte zeigen, dass die orale Gabe von makro-molekularen Tracern und Immunstimuli wie Lipopolysacchariden (LPS) bei Mäusen während der frühen postnatalen Phase zur Aufnahme durch Enterozyten im distalen Dünndarm und erhöhten Serumspiegeln führt. Da die Aufnahme in Enterozyten auf den distalen Dünndarm beschränkt war, dessen Enterozyten beim Neugeborenen über supranukleäre Vakuolen (SNV) verfügen und den endozytotischen Adapter Disabled homolog 2 (Dab2) exprimieren, testete ich die Hypothese einer Dab2-abhängigen Endo- und Transzytose. Die Abwesenheit der Dab2-Expression in konditionalen Knockoutmäusen verminderte zwar die zelluläre Aufnahme von Fluoresceinisothiocyanat (FITC)-Dextran, veränderte jedoch nicht die Translokation von FITC-Dextran und hatte keinen Einfluss auf die LPS-Aufnahme und -Translokation. Die Arbeit mit konfluenten Kulturen intestinaler neonataler Stammzellorganoide zeigte im Gegensatz dazu, dass die beim Neugeborenen erhöht exprimierte Fettsäure-Translokase CD36 an der mukosalen LPS-Translokation beteiligt ist. Als möglichen kompensatorischen Mechanismus für die erhöhte LPS-Exposition konnte ich die verstärkte Expression und Sekretion des LPS detoxifizierenden Enzyms Acyloxyacylhydrolase (AOAH) identifizieren. Durchfluss-zytometrische und molekularbiologische Analysen von hepatischem Gewebe weisen auf größere Immunzellpopulationen in der neugeborenen Leber sowie eine erhöhte transkriptionelle Aktivität nach oraler LPS-Gabe bei neugeborenen, aber nicht adulten Tieren hin. Die neonatale hepatische Zytokinexpression wurde durch das oral verabreichte LPS-Antitoxin Pep19-2.5, sowie einen funktionsfähigen myeloid differentiation primary response 88 (MyD88)-Signalweg und die Nahrungsaufnahme beeinflusst. Zusammenfassend verdeutlichen meine Ergebnisse die Komplexität des makromolekularen Transports im neonatalen Dünndarm, identifizieren einen Weg der mukosalen LPS-Transzytose und zeigen einen potenziellen Kompensationsmechanismus zur Vermeidung einer systemischen Immunaktivierung durch LPS aus dem Darm auf. Des Weiteren hilft meine Arbeit, die erhöhten Entzündungsparameter kurz nach der Geburt zu erklären und stellt die Grundlage für ein besseres Verständnis der Auswirkung auf die lebenslange Immunhomöstase dar.

Adaption to extra-uterine life after birth represents a challenging task for the host. At this time of high energy demand, nutrition changes from parental to enteral. This requires efficient mucosal absorption of dietary nutrients and might explain the transiently enhanced permeability of the gut mucosa for macromolecules known to cease during what has been termed gut closure. Moreover, the neonatal immune system must adapt to rapid bacterial colonization, especially of the intestinal mucosa, and sudden exposure to microbial stimuli. Gut-absorbed molecules via the portal vein first pass the liver, an organ shifting from a hematopoietic to a metabolic organ in mice only after birth, before entering the systemic circulation. The mechanisms that facilitate efficient nutrient absorption but prevent an inappropriate immune activation by gut-derived microbial stimuli have so far remained ill-defined and are the focus of my work. I could show that oral administration of macromolecular tracers and immune stimuli such as lipopolysaccharide (LPS) to neonate but not adult mice leads to internalization by enterocytes in the distal small intestine and increased serum levels. Since macromolecular internalization by enterocytes was restricted to the distal small intestinal epithelium, characterized in neonates by the presence of supranuclear vacuoles (SNVs) and expression of the endocytic adaptor Disabled homolog 2 (Dab2), I tested the hypothesis of a Dab2-dependent enterocyte internalization and translocation process. Intestinal epithelial cell specific Dab2 knockout mice exhibited reduced protein and fluorescein isothiocyanate (FITC) dextran internalization by enterocytes. However, the translocation of FITC dextran and the internalization and translocation of LPS was unaffected. In contrast, using polarized intestinal epithelial stem cell organoid cultures on transwell filters, I could identify the contribution of the fatty acid translocase CD36, which is highly expressed in the neonatal small intestinal epithelium, for LPS translocation. Furthermore, I could identify increased expression and secretion of the LPS detoxifying enzyme acyloxyacyl hydrolase (AOAH) by the neonatal intestinal epithelium as a potential compensatory mechanism for the elevated LPS exposure. Flow cytometry and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) analysis of liver tissue revealed enlarged hepatic immune cell populations in the neonatal liver and enhanced transcriptional activation in neonate but not adult mice upon oral LPS administration. Hepatic cytokine expression was influenced by oral supplementation of the LPS antitoxin Pep19-2.5, altered myeloid differentiation primary response 88 (MyD88) signaling or feeding. Together, my results highlight the complexity of intestinal macromolecular transport during early life, identify a pathway of LPS translocation and characterize a potential compensatory mechanism to prevent inappropriate immune activation to gut-derived LPS. Furthermore, my work helps to explain the previously described immune stimulation during early life and provides the basis for future studies on the long-term consequences for immune homeostasis.

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