Influence of inflammatory mechanisms in obese adipose tissue on pathomechanisms of allergic airway inflammation in mice

Asthma and obesity are non-communicable diseases with high and increasing prevalences. Both are characterized by the presence of local and systemic inflammatory processes, whereby their mutual pathomechanistic relationship within obesity-associated asthma are not fully elucidated. This research work...

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Main Author: Miethe, Sarah
Contributors: Garn, Holger (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2021
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Asthma und Adipositas sind nicht übertragbare Krankheiten (engl. non-communicable diseases; NCDs) mit hohen und weiter steigenden Prävalenzen. Beide Erkrankungen sind durch das Vorhandensein lokaler und systemischer Entzündungsprozesse gekennzeichnet, wobei wechselseitige pathomechanistische Interaktionen bei Adipositas-assoziiertem Asthma nicht vollständig geklärt sind. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde die Hypothese verfolgt, dass Entzündungsmechanismen im adipösen Fettgewebe den inflammatorischen Phänotyp einer induzierten allergischen Atemwegsentzündung (AAI) beeinflussen und veränderte Aktivierungsprozesse in CD4+ T-Zellen entscheidend daran beteiligt sind. Dazu wurden BALB/c- und C57BL/6-Mäuse über mehrere Wochen mit einer Hochfettdiät (HFD) gefüttert, um in ihnen Adipositas-ähnliche Stoffwechselveränderungen zu induzieren. Zusätzlich wurde in den Tieren ein gemischter inflammatorischer Phänotyp der AAI durch die Exposition mit Hausstaubmilbenextrakten (HDM) hervorgerufen. Bei beiden Stämmen führte die HFD zu vergleichbaren Stoffwechselveränderungen, wie z. B. höheren Plasmaspiegeln verschiedener Stoffwechselparameter und Merkmale von Typ-2-Diabetes. Stammabhängige Unterschiede wurden jedoch in Bezug auf die übermäßige Gewichtszunahme beobachtet, die selektiv nur bei C57BL/6-Mäusen, nicht aber bei BALB/c-Mäusen auftrat. Dabei war die Gewichtszunahme von HFD-gefütterten C57BL/6-Mäusen mit einer ausgeprägten Adipozytenhypertrophie und verstärkten Entzündungsprozessen im adipösen Fettgewebe assoziiert. Wie beabsichtigt, führte die HDM-Exposition in Kontrolldiät (ND)-gefütterten Mäusen zu einem gemischten inflammatorischen Phänotyp, der sich durch einen vergleichbaren Anstieg von Eosinophilen und Neutrophilen in der bronchoalveolären Lavage (BAL) und im Lungengewebe beider Mausstämme zeigte. Während in BALB/c-Mäusen keine Unterschiede in der induzierten AAI zwischen der HFD/HDM-Gruppe und der ND/HDM-Gruppe festgestellt wurden, zeigten HFD-gefütterte, HDM-exponierte C57BL/6-Mäuse im Vergleich zu normalgewichtigen HDM-exponierten Mäusen eine verstärkt eosinophile Entzündungsreaktion. Weitere Analysen ergaben erhöhte Konzentrationen von inflammatorischen Zytokinen in der BAL und eine höhere Anzahl von inflammatorischen Immunzellen im Lungengewebe von HFD/HDM C57BL/6-Mäusen. Dies deutet darauf hin, dass die Gewichtszunahme und die damit verbundenen Entzündungsprozesse im adipösen Fettgewebe für die Veränderung der charakteristischen Merkmale der induzierten AAI entscheidend sein können. Zur weiteren Analyse der zellulären und molekularen Veränderungen des induzierten inflammatorischen Phänotyps in den Atemwegen von C57BL/6-Mäusen wurde eine Einzelzellanalyse von CD45+ Zellen aus den Lungen der Tiere durchgeführt. Interessanterweise wurde dabei ein CD4+ T-Zell-Subcluster identifiziert, das ausschließlich in der Lunge von normalgewichtigen, aber nicht in adipösen HDM-exponierten Mäusen vorkommt. In diesem Subcluster wurde einerseits die Expression von Markern gefunden, die mit typischen Merkmalen von Th2-, Th1- und Treg-Zellen assoziiert sind, und darüber hinaus hohe Expressionsraten von ko-inhibitorischen Rezeptoren wie PD-1, CTLA-4 und LAG-3. Anschließende durchflusszytometrische Analysen bestätigten das Vorhandensein von Th2- und Treg-Zellen mit Oberflächenexpression der ko-inhibitorischen Rezeptoren PD-1, CTLA-4 und LAG-3 in Lungen von HDM-exponierten C57BL/6-Mäusen. Um weitergehend zu untersuchen, ob hypertrophe aktivierte Adipozyten Faktoren freisetzen, die an der Regulation der Expression ko-inhibitorischer Rezeptoren von CD4+ T Zellen beteiligt sein könnten, wurden differenzierte Th2- und Treg-Zellen mit Überständen von in vitro kultivierten Adipozyten aus HFD-gefütterten Mäusen inkubiert. In Übereinstimmung mit den vorherigen Ergebnissen führte dies zu einer verminderten Anzahl CTLA-4 oder LAG-3 exprimierender Th2-Zellen, während bei Treg-Zellen als Reaktion auf den Adipozytenüberstand eine Verringerung der Frequenz CTLA-4-positiver Zellen beobachtet wurde. Insgesamt verändert HFD den inflammatorischen Phänotyp einer HDM-induzierten AAI nur in Verbindung mit einer Gewichtszunahme und den damit verbundenen Entzündungsprozessen im adipösen Fettgewebe. Außerdem wurde die Expression der ko-inhibitorischen Rezeptoren PD-1, CTLA-4 und LAG-3 auf CD4+ T-Zellen beobachtet, die möglicherweise einen krankheitsbegrenzenden Mechanismus als Reaktion auf die Induktion von AAI nur in normalgewichtigen Mäusen darstellt. Das Fehlen von CD4+ T-Zellen, die diese Rezeptoren in adipösen, HDM-exponierten Mäusen exprimieren, könnte wiederum den veränderten und möglicherweise verstärkten und/oder verlängerten Entzündungsprozessen zugrunde liegen. Durch den Nachweis Adipositas-bedingter Veränderungen des AAI-Phänotyps und die Identifizierung daran beteiligter Immunmechanismen bieten die Ergebnisse dieser Arbeit wichtige neue Einblicke in die spezifische Pathophysiologie von Adipositas-assoziiertem Asthma, die wiederum Auswirkungen auf die Entwicklung stratifizierter Therapiekonzepte für diesen Erkrankungsphänotyp haben können.