Mechanisms and modulation of neuro-immune interactions: Cross-talk between mast cells and enteric neurons
Final Report Abstract
Das enterische Nervensystem (ENS) ist in der Lage, praktisch alle Funktionen des Magen-Darm-Traktes weitgehend unabhängig vom Zentralnervensystem zu regulieren. Dabei interagiert es mit anderen Zellen in der Darmwand wie z.B. Mastzellen, die in hoher Dichte in der Darmwand in nächster Nähe der Nervenzellen vorkommen. Eine Degranulation der Mastzellen löst durch eine Freisetzung von Mediatoren wie Histamin, Proteasen u.a. eine Stimulation sekretomotorischer Neurone im Plexus submucosus hervor, die am Epithel eine Anionensekretion induzieren, was sich klinisch als sekretorische Diarrhoe bei einer Nahrungsmittelallergie äußert. Im Unterschied zur zentralen Bedeutung von Mastzellen und ihrer Interaktion mit enterischen Neuronen bei der Nahrungsmittelallergie ist ihre Beteiligung bei anderen Darmerkrankungen, insbesondere bei entzündlichen Darmerkrankungen, umstritten. In der Literatur wurde eine Erhöhung der Mastzelldichte in Biopsien und Resektaten von solchen Patienten beschrieben. Da Mastzellmediatoren auch die Durchlässigkeit des Darmepithels erhöhen, besteht die Möglichkeit, dass sich dadurch ein Teufelskreis entwickelt, bei dem Mastzellen durch Auflockerung der Tight junctions das weitere Eindringen von Bestandteilen des Darmmikrobioms in die Darmwand erleichtern und damit das Entzündungsgeschehen verschlimmern könnten. Um diese Fragestellung zu klären, wurde folgende Hypothese aufgestellt: Wenn ein Anstieg der Mastzelldichte und eine vermehrte Freisetzung von Mastzellmediatoren funktionell bei entzündlichen Darmerkrankungen eine Rolle spielt, müsste die Antwort auf Antigene, die von intestinalen Mastzellen erkannt werden, bei einer Kolitis verstärkt sein. Als Tiermodell zur Überprüfung dieser Hypothese wurde eine Kolitis an Ratten durch rektale Applikation von TNBS (2,4,6-Trinitrobenzensulfonsäure) erzeugt. Dies wurde kombiniert mit der gleichzeitigen Sensibilisierung der Tiere durch subcutane Injektion von Ovalbumin. Dabei stellte sich heraus, dass im Gegensatz zu der initial formulierten Hypothese die sekretorischen Antworten des Epithels auf Antigenkontakt in ex vivo Präparaten vermindert statt erhöht war. Dies war sowohl in direkt von der induzierten Kolitis betroffenen Darmsegmenten wie auch in Dünndarmabschnitten zu beobachten, die nicht mit dem TNBS in Berührung gekommen waren, was für eine Wirkung von humoral zirkulierenden Entzündungsmediatoren spricht. In vitro Experimente mit isolierten Kolonsegmenten belegten diese Downregulation der epithelialen Chloridsekretion (insbesondere der Ca2+-vermittelten) nach Vorinkubation mit proinflammatorischen Zytokinen. In Cokulturversuchen von Neuronen aus dem Plexus submucosus und einer murinen Mastzelllinie zeigte sich, dass auch die Kommunikation von Mastzellen mit enterischen Neuronen in Gegenwart von proinflammatorischen Zytokinen (TNFα, IL-1β und IFN-γ) verändert war. Submucöse Neurone reagieren auf die Degranulation von benachbarten Mastzellen mit einer Erregung, die sich in Imaging-Versuchen als Anstieg der cytosolischen Ca2+-Konzentration erfassen lässt. In Gegenwart von TNFα war diese Antwort deutlich verstärkt, was auf eine Heraufregulation von Rezeptoren für Mastzellmediatoren zurückgehen könnte. Das Cokultur-Modell zwischen enterischen Neuronen und Mastzellen erwies sich darüber hinaus als geeignet, auch die Beeinflussung von Mastzellen durch benachbarte Neurone zu untersuchen, da elektrische Stimulation von Neuronen zu einer Stimulation von Mastzellen (messbar am Anstieg der intrazellulären Ca2+- Konzentration in Fura-2 Imaging-Experimenten) führt oder Stimulation von Nicotinrezeptoren auf Mastzellen deren Antwort auf einen Mastzelldegranulator massiv hemmt. Dieses Modell ist demnach im Rahmen des 3R-Konzepts eine gute Alternative für die weitere Untersuchung der Interaktion von Mastzellen mit anderen Zelltypen in der Darmwand.
Publications
- (2019) Effect of protease signalling on myenteric neurons for regulation of gastrointestinal motility. Acta Physiol. 227 SI Suppl 917: 135
Mirakhur M, Pouokam EV, Diener M
- (2019) Impact of sensitization and inflammation on the interaction of mast cells with the intestinal epithelium in rats. Front. Physiol. 10: Art. 329
Becker J, Ott D, Diener M
(See online at https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00329) - (2019) Interactions between rat submucosal ganglionic cells and mast cells are modified by cytokines and neurotransmitters. Eur. J. Pharmacol. 864: Art. 172713
Ballout J, Diener M
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2019.172713) - (2019) Interaktionen zwischen Mastzellen und submukösen Neuronen unter Entzündungsbedingungen ex vivo und in vitro. Dissertation, Fachbereich Veterinärmedizin der Justus-Liebig-Universität Gießen
Ballout J
- (2019) Neuroimmune interactions in rat distal colon are modified under inflammatory conditions. Acta Physiol. 227 SI Suppl 917: 132
Becker J, Diener M
