The landscape and dynamics of plasma cells in the small intestine during homeostasis

Simons, Britta; Pabst, Oliver; Wagner, Wolfgang

doi:HT030734646

The landscape and dynamics of plasma cells in the small intestine during homeostasis

Simons, Britta^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Britta Simons, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pabst, Oliver (Thesis advisor)^RWTH* ; Wagner, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04504
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985174/files/985174.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BCR repertoire (frei) ; plasma cells (frei) ; small intestine (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Das mukosale Immunsystem des gastrointestinalen Trakts ist eine wichtige Verteidigungslinie zwischen dem Körperinneren und –äußeren und ist dadurch konstant exogenen Antigenen ausgesetzt. Daher ist eine ausgewogene Immunantwort erforderlich, um den Wirt vor Krankheitserregern zu schützen und gleichzeitig Homöostase mit dem Mikrobiom zu gewährleisten. Plasmazellen besitzen in diesem ausgewogenen System eine Schlüsselrolle. Das größte Plasmazellreservoir befindet sich im Darm. Ihre wichtigste Funktion besteht in der Bildung und Sekretion von Antikörpern, die an Antigene wie Lebensmittel oder Mikrobiota binden. Insbesondere Immunoglobulin A trägt zum Schutz des Wirts bei und sorgt für eine Homöostase mit dem Mikrobiom. Derzeit ist das Wissen über die Faktoren und Mechanismen, die die Entstehung, Entwicklung und den Phänotyp von Plasmazellen beeinflussen, sehr begrenzt. Auch die genauen Mechanismen zur Regulierung und Aufrechterhaltung des B-Zell-Rezeptor (BCR) Repertoires von Plasmazellen im Dünndarm sind bislang noch unzureichend erforscht. Daher haben wir die Dynamik von Antikörperantworten im Darm untersucht. Dabei wurden unterschiedliche mikrobielle Besiedlungen und die Verbindung von verschiedenen Immunkompartimenten, wie dem darmassoziierten lymphatischen Gewebe und dem Dünndarm, sowie der Alterungsprozess der Individuen berücksichtigt.Wir haben einen multidimensionalen Analyseansatz entwickelt, um zu untersuchen, ob Plasmazellen eine phänotypisch heterogene Population sind. Dieser Ansatz ermöglicht die Identifikation subtiler phänotypischer Unterschiede, die bei einer herkömmlichen, nicht integrierten Analyse möglicherweise übersehen werden. Trotz großer Unterschiede in der Darmumgebung konnten wir beobachten, dass Plasmazellen phänotypisch bemerkenswert homogen sind. Dennoch wurde eine graduelle Expression der Oberflächenmarker Ly6c und MHCII beobachtet. Während die Ly6c Expression möglicherweise mit der Antikörpersekretion zusammenhängt, scheint die MHCII Expression mit dem Entwicklungsstadium der B-Zelle assoziiert zu sein. Die B-Zellen, die MHCII exprimieren, wiesen einen proliferierenden Phänotypen auf, was darauf hindeutet, dass es sich um Plasmablasten handelt. Diese Beobachtung war unabhängig vom Alter der Individuen, der Zusammensetzung der Mikrobiota und dem Organ. Darüber hinaus lieferte das „single cell sequencing“ Informationen sowohl über den Phänotyp einer Plasmazelle als auch über ihren BCR. Plasmazellen, die den gleichen BCR exprimieren, waren gleichmäßig über die „Unifold Manifold Approximation and Projection“ (UMAP) verteilt und wiesen keinen spezifischen klonalen Phänotypen auf. Dies deutet darauf hin, dass selbst klonal verwandte Zellen das gesamte Spektrum an phänotypischen Zuständen annehmen.Das BCR Repertoire von Mäusen unterschiedlichen Alters wurde analysiert, um ein besseres Verständnis von der Dynamik des Plasmazellrepertoires zu gewinnen. Aktive B-Zellen wurden in einem Mausmodell markiert, welches die Nachverfolgung der Reifung und Differenzierung dieser Zellen erlaubt. Diese Zellen wurden über verschiedene Zeitspannen verfolgt und analysiert. Zusätzlich entnahmen wir Darmbiopsien, um die Zusammensetzung und Struktur des Plasmazellrepertoires im Darm zu beschreiben. Durch den Vergleich der Klone in der Biopsie und den Folgeproben konnten wir dynamische Veränderungen im BCR Repertoire verfolgen. Darauf basierend spekulieren wir, dass junge Mäuse ein weniger vielfältiges Repertoire und mehr polyreaktive Klone generieren, während sich das Repertoire erwachsener Mäuse in Richtung „cross-species reactive“ oder spezifischer Antigene entwickeln könnte. Sowohl junge als auch erwachsene Mäuse waren in der Lage langlebige Gewinnerklone zu generieren. Diese Klone persistierten mindestens sechs Monate im Plasmazellpool sowie in Gedächtnis-B-Zellen und B-Zellen des Keimzentrums. Dies deutet darauf hin, dass Gedächtnis-B-Zellen in Keimzentren rekrutiert werden und eine kontinuierliche Reifung der Klone stattfindet. Der Anteil der langlebigen Klone war jedoch verhältnismäßig gering, was darauf hindeutet, dass der Plasmazellpool im Dünndarm durch langlebige und neu generierte Klone aufrechterhalten wird. Des Weiteren haben wir einen Ansatz entwickelt, um die klonale Reifung und Selektion zu analysieren. Hierbei werden Klone in klonale Bäume gruppiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Analyse des BCR Repertoires in Kombination mit „fate tracking“ Systemen ein leistungsfähiges Instrument ist, um die Dynamik von B-Zell Antworten zu untersuchen. Basierend auf dieser Analyse können spezifische Plasmazellklone erzeugt werden, deren Eigenschaften anschließend untersucht werden können. Dies ermöglicht einen tieferen Einblick in die Reifungs- und Selektionsprozesse von Plasmazellen. Unsere Ergebnisse sind im Zusammenhang mit Impfungen und fäkalem Mikrobiomtransfer beachtenswert. Da Plasmazellen im Darm eine bemerkenswert homogene Population sind, vermuten wir, dass die Funktion der Plasmazellen nicht primär durch die Art des Antigenkontakts und die zugrundeliegenden Induktionswege beeinflusst wird. Trotzdem scheint sich die klonale Zusammensetzung während der Homöostase langsam an Veränderungen in der Darmumgebung anzupassen. Ein solches System könnte kurzfristige tägliche Veränderungen im Antigenpool ausgleichen und zur Resilienz der Mikrobiota beitragen. Letztendlich wird jedoch das Repertoire von Plasmazellen im Darm kontinuierlich durch B-Zell Antworten diversifiziert, um eine ausgewogene humorale Immunreaktion auf intestinale Antigene zu ermöglichen.

The gastrointestinal tract is the largest interface to the external environment and thus is constantly exposed to exogenous antigen. Consequently, a well-balanced immune response is required to protect the host from pathogens and ensure homeostasis. Plasma cells play a key role in this balanced system. In fact, the gut comprises the largest total number of plasma cells in the body. Their main effector function is to generate and secrete antibodies that bind to their antigens such as food or microbiota. Antibodies, especially immunoglobulin A, contribute to host protection and maintain homeostasis with the microbiota. Currently, there is limited knowledge about the factors and mechanisms that influence the generation, development and the phenotype of plasma cells. The precise mechanism for regulating and maintaining the B cell receptor (BCR) repertoire of intestinal plasma cells is still unknown. Therefore, we tracked dynamics of antibody responses in the gut during aging in the face of different microbial colonisation and connecting different immune compartments such as the gut associated lymphoid tissue and the small intestine.To investigate whether plasma cells are a phenotypically heterogeneous population, we developed a multi-dimensional integrated approach to analyse the phenotype of plasma cells under various conditions. This integrated approach enables the detection of subtle differences that may be missed in classical non-integrated analyses. Despite major differences in the intestinal environment, we observed that plasma cells were remarkably homogenous in their phenotype. However, a gradual expression of the surface markers Ly6c and MHCII was detected. While Ly6c expression may be associated with antibody secretion, MHCII expression is associated with the maturation state of B cells. Data obtained from single cell sequencing supported this observation. MHCII expressing cells showed a proliferating phenotype indicating them to be plasma blasts. This observation was independent of age, microbiota composition and location. In addition, single cell sequencing also provided combined information on a plasma cell’s phenotype and its BCR. Plasma cells expressing the same BCR were evenly distributed across the unifold manifold approximation and projection (UMAP) and did not exhibit any specific clonal phenotype. This indicates that even clonally related cells acquire the full range of phenotypic states.The BCR repertoire of different aged mice was analysed to gain a better understanding of the dynamics of the plasma cell repertoire. We labelled active B cells in a cell fate tracking system and followed these cells for different time spans. In addition, we obtained gut biopsies to describe the composition and structure of the gut plasma cell repertoire. By comparing the clones in the biopsy and the follow-up samples, we were able to track dynamic changes in the BCR repertoire. Therefore, we speculate that young mice may generate a less diverse repertoire and more polyreactive clones, while the repertoire of adult mice may mature towards cross-species reactive or specific antigens. Moreover, young and adult mice were able to generate long-lived winner clones. These clones persisted for at least six months not only in the plasma cell pool, but also in the memory B and germinal center B cell compartment. This suggests the recruitment of memory B cells into germinal centers and a continuous maturation of these clones. However, the fraction of long-lived clones was low, indicating that the small intestinal plasma cell pool is maintained by long-lived clones but also by newly recruited clones. Additionally, we have developed an approach to analyse clonal maturation and selection by grouping clones into clonal trees.In conclusion, the analysis of the BCR repertoire in combination with cell tracking is a powerful tool for understanding the dynamics of gut B cell responses. Specific plasma cell clones can be generated and their binding and coating characteristics can subsequently be investigated, allow-ing for a deeper insight into the maturation and selection processes of plasma cells. Our results may be relevant in context of mucosal vaccination and faecal microbiota transplants. As plasma cells displayed a remarkably homogenous population, we speculate that routes of antigen encounter and underlying inductive pathways do not primarily impact plasma cell function. Nevertheless, the clonal composition seems to slowly adapt to changes in the gut environment during homeostasis. Such system might buffer short-term daily changes in the antigen pool and contribute to resilience of the microbiota. Yet eventually, continuous gut B cell responses will diversify the repertoire of gut plasma cells to provide balanced humoral responses to intestinal antigens.

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