Notch signaling during T helper

  • Naam promovendus: Mevrouw I. Tindemans
  • Instituut Universiteit: Irma Tindemans
  • Datum van promotie: 18-02-2018
  • Proefschrift afgesloten

Astma is een heterogene chronische longziekte die gepaard gaat met ontsteking van de luchtwegen, luchtwegvernauwing, hyperreactiviteit van de luchtwegen en verhoogde slijmproductie. Wereldwijd zijn er ongeveer 300 miljoen mensen die lijden aan astma. Een deel van deze patiënten heeft nog steeds klachten ondanks het gebruik van ontstekingsremmende medicatie. Daarom is het nodig om op zoek te gaan naar nieuwe manieren om astmapatiënten te behandelen.

Astma is een heterogene chronische longziekte die gepaard gaat met ontsteking van de luchtwegen, luchtwegvernauwing, hyperreactiviteit van de luchtwegen en verhoogde slijmproductie. Wereldwijd zijn er ongeveer 300 miljoen mensen die lijden aan astma. Een deel van deze patiënten heeft nog steeds klachten ondanks het gebruik van ontstekingsremmende medicatie. Daarom is het nodig om op zoek te gaan naar nieuwe manieren om astmapatiënten te behandelen. Allergische astma is de meest voorkomende vorm van astma en wordt veroorzaakt doordat dendritische cellen allergenen zoals huisstofmijt herkennen in de luchtwegen en hiermee T cellen activeren. Na activatie door dendritische cellen ontwikkelen T cellen zich tot een specifieke soort T cellen, de zogenaamde T helper 2 (Th2) cellen. Th2 cellen produceren ontstekingsbevorderende eiwitten (cytokines IL-4, IL-5 en IL-13) die verantwoordelijk zijn voor het aantrekken van eosinofielen (een type ontstekingscellen dat kenmerkend is voor allergische astma), het verhogen van de slijmproductie door slijmbekercellen en hyperreactiviteit van glad spierweefsel (Hoofdstuk 1). Er bestaan ook andere soorten T cellen, namelijk Th1 cellen, Th9 cellen, Th17 cellen, T folliculaire helper cellen en regulatoire T cellen. Iedere soort T helper cel heeft een specifieke functie en wordt gekarakteriseerd door de productie van een uniek profiel van cytokines, dat gereguleerd wordt door een zogenaamde transcriptiefactor (Hoofdstuk 1). Th2 cellen hebben de belangrijke transcriptiefactor Gata3 die cruciaal is voor de ontwikkeling van T cellen en ook voor de productie van de cytokines IL-4, IL-5 en IL-13.
In hoofdstuk 2 hebben we literatuuronderzoek gedaan naar de functie van Gata3 in de ontwikkeling en het functioneren van het afweersysteem. Terwijl Th2 cellen de voornaamste cellen zijn die IL-4 produceren is IL-4 ook nodig voor de ontwikkeling van Th2 cellen zelf. Dit betekent dat de ontwikkeling van Th2 cellen afhankelijk is van een stof die deze cellen zelf produceren. Het is onduidelijk wat de bron is van de initiële IL-4 die de ontwikkeling van Th2 cellen induceert. Onderzoekers hebben gevonden dat signalering via Notch receptoren op T cellen direct kan leiden tot verhoging van Gata3 in T helper cellen en de productie van IL-4. De Notch signaleringsroute is een evolutionair geconserveerde route die belangrijk is voor de ontwikkeling van veel soorten afweercellen. Als een ligand voor Notch aan de Notch receptor bindt dan ontstaat er een reactie waarbij er in de T cel een eiwitcomplex wordt gevormd dat zorgt voor een verhoging van de aanmaak van diverse eiwitten waaronder Gata3 en IL-4. Dit eiwitcomplex bevat de transcriptie regulator RBPJ?. Wij hebben onderzocht wat de functie is van Notch signalering tijdens het ontstaan van astma door muizen te genereren die specifiek de RBPJ? regulator missen in T cellen. Hierdoor zijn er in deze T cellen geen effecten meer van Notch signalering. Deze muizen hebben we in een astmamodel herhaaldelijk blootgesteld aan huisstofmijt. Hierdoor ontstaat normaal gesproken een allergische ontsteking in de longen en luchtwegvernauwing, maar muizen zonder RBPJ? in T cellen ontwikkelen geen van deze astma verschijnselen (Hoofdstuk 3). Er bestaan twee verschillende soorten liganden voor Notch receptoren, namelijk Delta en Jagged. In de literatuur is beschreven dat het ligand Delta kan zorgen dat T cellen zich kunnen ontwikkelen tot Th1 cellen, terwijl Jagged ervoor zorgt dat T cellen zich kunnen ontwikkelen tot Th2 cellen. Deze bevindingen waren vooral gebaseerd op celkweek experimenten en de rol van deze verschillenden liganden bij allergische astma was onduidelijk. Wij hebben in hoofdstuk 3 onderzocht of Jagged op dendritische cellen belangrijk is voor de ontwikkeling van allergische astma. In ons astma muismodel vonden we dat de expressie van Jagged op het celopperval van dendritische cellen omhoog ging nadat muizen werden blootgesteld aan huisstofmijt. Door gebruik te maken van muizen zonder Jagged op het celoppervlak van hun dendritische cellen, konden we echter aantonen dat Jagged op dendritische cellen niet nodig is voor het ontstaan van een ontstekingsreactie in de longen. We vonden namelijk in deze muizen vergelijkbare aantallen ontstekingscellen in de longen als in muizen die wel Jagged op hun dendritische cellen hadden. Onze resultaten laten daarom zien dat de Notch signaleringsroute in T cellen cruciaal is voor de ontwikkeling van allergische astma in muizen, terwijl het ligand Jagged op dendritische cellen hiervoor niet nodig is. Onze bevinding dat de Notch signaleringsroute in T cellen nodig is voor het ontstaan van allergische astma in muizen suggereert dat Notch een aangrijpingspunt kan zijn voor de behandeling van allergische astma. Om dit te testen hebben we muizen behandeld met SAHM1, een remmer van RBPJ?, waardoor de Notch signaleringsroute niet meer effectief is. We vonden dat muizen die behandeld waren met SAHM1 geen astma meer ontwikkelden. We konden namelijk vaststellen dat het aantal eosinofielen en Th2 cellen in de longen verlaagd was en dat deze muizen verminderde IgE antistoffen in hun serum hadden. Deze antistoffen zijn kenmerkend voor een allergische immuunreactie. Het effect van het behandelen van de muizen met de Notch remmer was het sterkst tijdens herhaalde blootstelling aan huisstofmijt en niet in een vroege fase van de opbouw van allergie na de eerste blootstelling (Hoofdstuk 4). De bevindingen dat de Notch remmer met name werkt als muizen al astmaverschijnselen hebben, betekent dat het blokkeren van Notch ook bij astmapatiënten zou kunnen leiden tot een vermindering van astmasymptomen. Omdat we hadden gevonden dat het blokkeren van de Notch signaleringsroute in allergische astma vooral effectief was tijdens een latere fase van de ziekte, na herhaaldelijke blootstelling aan huisstofmijt allergeen, wilden we vervolgens weten wat het onderliggende mechanisme is. Om dit te onderzoeken hebben we gebruik gemaakt van muizen die geen Notch receptoren op hun T cellen hebben. Deze muizen werden blootgesteld aan astmamodellen met huisstofmijt of het eiwit ovalbumine als allergeen. Daarnaast hebben we Notch- deficiënte muizen gekruist met muizen die verhoogd Gata3 eiwit in hun T cellen hebben, om te onderzoeken of verhoogde expressie van Gata3 het effect van verminderde Notch expressie op kan heffen. We vonden dat muizen zonder expressie van Notch receptoren op T cellen - net als RBPJ? deficiënte muizen - geen astma ontwikkelen. Muizen zonder Notch receptoren op T cellen maar met verhoogd Gata3 in T cellen hadden maar een lichte verhoging van allergische ontsteking in de longen. Dit betekent dat Notch signalering tijdens Th2 cel-gemedieerd astma niet alleen werkt via verhoging van de hoeveelheid Gata3, maar ook via andere mechanismes. In verder onderzoek vonden we dat Notch signalering niet nodig is voor de initiële activatie van T cellen bij de eerste allergeenblootstelling, maar dat Notch signalering wel nodig is tijdens een latere fase van de afweerreactie (wanneer allergische symptomen zichtbaar worden na herhaaldelijke allergeen blootstelling). We hebben namelijk gemeten dat de afwezigheid van Notch bij al geactiveerde Th2 cellen leidt tot een ophoping van Th2 cellen in de lymfeklieren en een verminderde hoeveelheid Th2 cellen in de longen. Dit is een sterke aanwijzing dat Th2 cellen die gevormd worden in de lymfeklier afhankelijk zijn van Notch signalering om op een efficiënte manier de lymfeklier te verlaten. Met een uitgebreide analyse van de verschillen tussen Th2 cellen met Notch receptoren en Th2 cellen zonder Notch receptoren hebben we gevonden dat Notch ervoor zorgt dat Th2 cellen beter kunnen reageren op cytokines en beter kunnen migreren naar andere weefsels (Hoofdstuk 5).
In hoofdstuk 3 tot en met 5 hebben we aangetoond dat muizen die Notch receptoren of de Notch-geassocieerde transcriptiefactor RBPJ? missen in hun T cellen of muizen die behandeld worden met SAHM1 nauwelijks astma ontwikkelen. Maar, we vonden ook dat muizen zonder het Notch ligand Jagged op dendritische cellen wel nog steeds astma ontwikkelden. Daarom onderzochten we de mogelijkheid dat Jagged belangrijk zou kunnen zijn op andere cellen dan dendritische cellen (Hoofdstuk 6). We vonden dat stromale cellen (steuncellen) in de lymfeklieren Jagged tot expressie brengen en dat de hoeveelheid Jagged verhoogd was als muizen werden blootgesteld aan huisstofmijt. Maar we vonden dat Jagged op deze lymfeklier stromale cellen niet noodzakelijk was voor de ontwikkeling van allergisch astma in de muis. Daarnaast hebben we aanwijzingen verkregen dat Jagged ook niet belangrijk is op alveolaire macrofagen, T cellen of B cellen. Deze uitkomsten suggereren dat de liganden die nodig zijn om Notch signalering in T cellen aan te zetten zich bevinden op andere cellen of dat het ligand Delta belangrijk is voor het aanzetten van de Notch signaleringsroute in T cellen. Een subgroep van allergische astmapatiënten blijft klachten houden ondanks het gebruik van ontstekingsremmende medicatie. Daarom is de bevinding in ons muismodel dat een specifieke Notch remmer verschijnselen van allergische ontsteking kan verminderen, met name werkt als muizen al allergische luchtwegontsteking hebben ontwikkeld, van groot belang. Het maakt het namelijk aannemelijk dat het blokkeren van de Notch signaleringsroute ook bij astmapatiënten zou kunnen leiden tot een vermindering van astmasymptomen. Daarom hebben we T cellen in bloed onderzocht op de aanwezigheid van Notch receptoren. Hierbij vonden we dat het percentage van de T helper cellen dat Notch receptoren op hun oppervlak heeft bij astmapatiënten hoger is dan bij gezonde mensen. Daarnaast was de fractie Notch-positieve T helper cellen meer verhoogd in patiënten die slecht reageren op ontstekingsremmende medicatie dan bij patiënten waarbij de astmaverschijnselen goed onder controle te houden zijn met medicatie (Hoofdstuk 7). We hebben de Th2 cellen van astmapatiënten ook genoom-wijd in detail gekarakteriseerd om te onderzoeken of er nog meer verschillen zijn in Th2 cellen van astmapatiënten vergeleken met gezonde mensen. Hierbij hebben we verschillende genen gevonden die in sterkere mate actief zijn in Th2 cellen van astmapatiënten. Een aantal van deze genen is betrokken bij de activatie van T helper cellen en sommige van deze genen correleerden met een verminderde longfunctie. Toekomstig onderzoek moet uitwijzen of deze genen een voorspellende waarde kunnen hebben voor het ziektebeloop van astmapatiënten of dat deze genen een aanknopingspunt kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen tegen astma.
Samenvattend hebben we gevonden dat de Notch signaleringsroute belangrijk is bij een Th2 cel-afhankelijk muismodel voor allergische astma gebaseerd op herhaalde blootstelling aan huisstofmijt. Daarnaast hebben we gevonden dat bij astmapatiënten de fractie van Notch-positieve T helper cellen in het bloed verhoogd is. Daarom is de Notch signaleringsroute een potentieel aangrijpingspunt voor toekomstige therapie.

Voortgekomen uit onderzoek 3.2.12.087