groep 2 innate lymphoid cell (ILC2)

  • Naam promovendus: De heer, mevrouw W.S. Li
  • Instituut Universiteit: Bobby Li
  • Datum van promotie: 25-01-2018
  • Proefschrift afgesloten

In dit proefschrift onderzoeken wij een nieuw cel type van het immuunsysteem, de groep 2 innate lymphoid cell (ILC2), en wat de rol van deze cel is bij het ontwikkelen van astma. Wij beschrijven hoe deze cel gekarakteriseerd kan worden met behulp van flow cytometrie en laten in onze diermodellen zien dat deze cel een zeer belangrijke bron is van type 2 cytokines tijdens influenza-gemedieerde astma exacerbaties. Dit fundamentele onderzoek opent een weg naar nieuwe therapieën waarbij ILC2 een centraal aangrijpingspunt kunnen zijn om astmasymptomen te bestrijden.

Astma is een chronische luchtwegaandoening gekarakteriseerd door ontsteking, overmatig slijmproductie en vorming van bindweefsel in de longen. Kenmerkend bij astmapatiënten zijn de astma-aanvallen, waarbij er een acute vernauwing van de luchtwegen optreedt die leidt tot kortademigheid, hoesten en een piepende ademhaling. Wereldwijd lijden ongeveer 300 miljoen mensen aan astma en dit aantal neemt jaarlijks toe, met name in ontwikkelde landen zoals Nederland. Bij veel patiënten met astma speelt allergie voor huisstofmijt of schimmels een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de ziekte. Bij dit proces zijn een bepaalde soort witte bloedcellen, de zogenaamde T helper 2 (Th2) cellen, nauw betrokken. Deze cellen worden bij astmapatiënten geactiveerd doordat ze specifiek allergenen, stoffen waar mensen allergisch voor zijn, herkennen en vervolgens bepaalde factoren produceren die ontstekingen kunnen veroorzaken of versterken. Bij allergisch astma zijn dit met name de type 2 cytokines IL-4, IL-5 en IL-13.
Enkele jaren geleden is een nieuw celtype ontdekt, de groep 2 innate lymphoid cel (ILC2), die ook deze cytokines kan produceren (Hoofdstuk 1). Een cruciaal verschil tussen ILC2s en Th2 cellen is dat ILC2s geen allergeen-specifieke receptoren tot expressie brengen maar aangestuurd worden door signalen zoals IL-25, IL-33 en TSLP afkomstig van geactiveerde epitheelcellen. Er is aangetoond in een aantal muismodellen voor allergische luchtwegontsteking dat deze cellen hierdoor onafhankelijk van T helper cellen kunnen functioneren. ILC2s zijn ook in verhoogde aantallen gevonden in neuspoliepen van patiënten met chronische rhinosinusitis. Het is echter onbekend op welke manier precies de ILC2s bijdragen aan de pathogenese van allergisch astma. Daarnaast zorgt influenzavirus infectie van de luchtwegen ervoor dat astma-aanvallen vaker voorkomen en ernstiger van aard zijn. Deze verergering van astmatische klachten tijdens en na een virusinfectie wordt ook wel astma-exacerbatie genoemd. ILC2s zouden mogelijk de mechanistische link kunnen zijn tussen deze twee luchtwegaandoeningen. In dit proefschrift beschrijven wij de rol van ILC2s in huisstofmijt-gemedieerde allergische luchtwegontsteking en astma-exacerbaties die geïnduceerd zijn door influenzavirus infecties in diverse muismodellen. Daarnaast werden ILC2s uit perifeer bloed van astmapatiënten en gezonde controlepersonen onderzocht.
Doordat ILC2s geen enkele unieke marker op hun celoppervlak dragen, worden ILC2s gekarakteriseerd en gekwantificeerd met een uitgebreid panel van fluorescente antilichamen. De markers die gebruikt worden zijn echter niet gestandaardiseerd en variëren vaak tussen onderzoeksgroepen, waarmee het vergelijken en extrapoleren van data uit verschillende studies lastiger wordt. In Hoofdstuk 2, beschrijven wij de analyse van ILC2s met behulp van flow cytometrie in ons muismodel van IL-33- en huisstofmijt-geïnduceerde luchtwegontsteking.
ILC2s kunnen snel geactiveerd worden door papaïne en Alternaria en zijn een vroege bron van IL-5 en IL-13 die onafhankelijk is van het adaptieve immuunsysteem, waar T en B cellen toe behoren. In Hoofdstuk 3, maken wij gebruik van een huisstofmijt-gemedieerd astma muismodel om de inductie van ILC2s te bestuderen in allergische luchtwegontsteking. In dit model worden de dieren eerst gesensibiliseerd met een lage dosis huisstofmijt en vervolgens blootgesteld aan een hogere dosis huisstofmijt om luchtwegontsteking te induceren. In de broncho-alveolar lavage (BAL) vloeistof, longen en lymfeklieren is de activatie van ILC2s sterk afhankelijk van sensibilisatie met huisstofmijt. In tegenstelling tot modellen die gebruik maken van allergenen zoals papaïne en Alternaria, is in ons huisstofmijt model de aanwezigheid van T cellen noodzakelijk voor de inductie van ILC2s. Bovendien worden T cellen eerder geactiveerd dan ILC2s. Daarnaast is de accumulatie van ILC2s in de BAL vloeistof onafhankelijk van IL-33, hoewel de aanwezige ILC2s aanzienlijk minder cytokines produceren in muizen die geen IL-33 kunnen produceren. In dit huisstofmijt-gedreven astma model zijn ILC2s daarom geen vroege bron van type 2 cytokines en dragen ze bij aan een inflammatoire omgeving waarin Th2 cellen centraal staan.
Het expressiepatroon van ILC2 markers is niet uniform en is afhankelijk van de activerende stimulus, de directe omgeving van de ILC2 en de mogelijke interactie met andere cellen. Deze heterogeniteit is beschreven in Hoofdstuk 4 met behulp van een T cel afhankelijke (huisstofmijt) en T cel onafhankelijke (IL-33) manier van ILC2 activatie, waarin we het ILC2 oppervlakte marker fenotype, de totale genexpressie (RNA transcriptoom) en de locatie in de long hebben vergeleken. We hebben gevonden dat de via IL-33 geactiveerde ILC2s een uniform fenotype vertonen. Daarentegen hebben de ILC2 die bij huisstofmijt-gedreven luchtwegontsteking worden geactiveerd een meer variabel fenotype, al lijkt deze variatie geen invloed te hebben op hun capaciteit om de type 2 cytokines IL-5 en IL-13 te produceren. Bovendien zijn er bij zowel IL-33- als huisstofmijt-gedreven stimulatie grote verschillen in de ILC2 fenotypes te vinden tussen diverse organen. Uit onze RNA transcriptoom analyses blijkt verder dat huisstofmijt-gestimuleerde ILC2s genen tot expressie brengen die betrokken zijn bij de regulatie van het adaptieve immuunsysteem, terwijl IL-33 stimulatie vooral leidt tot het aanzetten van celdeling en cytokineproductie. Beide manieren van ILC2 stimulatie resulteren in een toestroom van deze cellen onder het longepitheel, zoals we konden aantonen met behulp van confocale microscopie. Daarnaast lijken ILC2s bij voorkeur voor te komen in de directe omgeving van T cellen binnen georganiseerde cel infiltraten. Bij elkaar genomen, laten onze bevindingen zien dat ILC2s fenotypisch meer heterogeen zijn dan voorheen gedacht, waarbij hun expressie profiel zeer afhankelijk is van de manier waarop ze geactiveerd worden.
Een belangrijke oorzaak van astma-aanvallen is infectie van de luchtwegen met het influenzavirus. Het is echter onbekend hoe een antiviraal immuunrespons, waar voornamelijk T helper 1 (Th1) cellen bij betrokken zijn, een Th2-gemedieerde ziekte zoals astma kan verergeren. In Hoofdstuk 5 onderzoeken wij de kinetiek van T cellen en ILC2s in influenzavirus geïnfecteerde muizen. De resultaten tonen aan dat ILC2s snel na influenzavirus infectie accumuleren in de long, maar dat de IL-5 en IL-13 cytokineproductie pas later op gang komt, nadat ook T cellen worden geactiveerd. In een influenza-geïnduceerd astma-exacerbatie muismodel, worden huisstofmijt-geactiveerde ILC2s in eerste instantie onderdrukt en nemen ze in aantal af in de BAL vloeistof. Daarbij nemen ze een fenotype aan dat vergelijkbaar is met naïeve ILC2s. Daarom blijft de type 2 cytokineproductie door ILC2s in het vroege stadium van influenzavirus infectie beperkt. In tegenstelling tot ILC2s, produceren T cellen wel verhoogde hoeveelheden IL-4 en IL-5 wanneer ze blootgesteld zijn aan zowel huisstofmijt als influenzavirus. Echter op het tijdstip dat het virus bijna geklaard is krijgen ILC2s weer een geactiveerd fenotype, gekoppeld aan een hoge cytokineproductie. Deze resultaten betekenen dat zowel T cellen en ILC2s bijdragen aan een type 2 cytokine milieu, maar met een verschillende kinetiek.
Genetische componenten spelen een centrale rol in de ziektevatbaarheid en ontwikkeling van astma. In Hoofdstuk 6, maken wij gebruik van geavanceerde genetische technieken om het epigenoom (het geheel van overerfbare veranderingen in fenotype en genexpressiepatronen van cellen) van ILC2s te karakteriseren en om te bepalen hoe de genetica het ziektebeloop van astma kan beïnvloeden. We laten zien dat de genexpressie in geactiveerde ILC2s verschilt per weefsel, zoals verwacht gebaseerd op de resultaten in Hoofdstuk 4, maar dat het oorspronkelijke epigenoom van ILC2 uit BAL en lymfeklier zeer veel op elkaar lijkt. Dit betekent dat de expressie van genen in ILC2s zich kan aanpassen aan de omgeving. Verder blijkt ongeveer 90% van de genen waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij astma ook actief in ILC2s. Dit ondersteunt een mogelijke pathogene rol van ILC2s in allergisch astma.
In hoofdstuk 7 onderzoeken wij ILC2s in het perifeer bloed van astmapatiënten. De patiënten zijn verdeeld in de volgende subgroepen volgens de Global Initiative for Asthma (GINA) 2014 classificatie: gecontroleerd, gedeeltelijk gecontroleerd en ongecontroleerd astma. Vergeleken met gezonde personen blijken in deze drie astma patiëntengroepen de percentages van zowel eosinofiele granulocyten, Th2 en Th17 cellen significant verhoogd. Echter is de ILC2 frequentie vergelijkbaar tussen alle patiëntengroepen, wat zou kunnen suggereren dat ILC2s geen goede afspiegeling zijn van de ontsteking in de long. Echter, we vinden wel een correlatie tussen ILC2 frequentie en Th2 en Th17 frequentie. Daarom zou het interessant kunnen zijn circulerende ILC2s van astmapatiënten diepgaander te karakteriseren en lokale ILC2s in de long te onderzoeken, omdat deze wellicht wel een sterke bijdrage kunnen leveren.
De resultaten die beschreven zijn dit proefschrift werpen een nieuwe blik op de rol van ILC2s in huisstofmijt-gedreven allergische luchtwegontsteking en hun bijdrage aan influenza-gemedieerde astma-exacerbaties. Het karakteriseren van ILC2s en hun functie in astma leidt tot een beter begrip van de onderliggende mechanismen. Ontwikkeling van nieuwe therapieën kan mogelijk worden gericht op het beïnvloeden van ILC2 functie. Er zou bijvoorbeeld gebruik gemaakt kunnen worden van specifieke remmers van de nucleaire factor GATA3, die noodzakelijk is voor de ontwikkeling en activiteit van ILC2s, of van remmers van CRTH2, een membraan receptor die ILC2s kan activeren. Dit is met name van belang voor astmapatiënten die niet adequaat reageren op huidige therapieën, bijvoorbeeld gebaseerd op corticosteroïden.

Voortgekomen uit onderzoek 3.2.12.067