Role of lung dendritic cells in acute pulmonary inflammation

Abstract

Dendritische Zellen (DC) sind wichtige Regulatoren des Immunsystems und sind zentral in die Abwehrfunktion der Lunge integriert. Sie sind in enger Nachbarschaft zu den großen Atemwegen und den Alveolen lokalisiert und phagozytieren und prozessieren kontinuierlich Antigene. Viele Aspekte der DC-Biologie in der Lunge und ihrer Rolle in der adaptiven Immunantwort sind eingehend untersucht worden; ihre Rolle in akuten Entzündungsreaktionen wie der akuten bakteriellen Pneumonie ist hingegen bisher kaum bekannt. DC sind mit einer einzigartigen Vielzahl von Rezeptoren des angeborenen Immunsystems bestückt und sind außerdem in der Lage, innerhalb der ersten Stunden nach Antigenkontakt große Mengen proinflammatorischer und immunregulatorischer Zytokine zu produzieren. Dieses wirft die Frage auf, inwieweit DC an Initiierung und Verlauf der frühen Phase einer bakteriellen Pneumonie beteiligt sind. Nur teilweise bekannt ist ferner der Beitrag verschiedener Adhäsionsmoleküle zur Rekrutierung von DC in die Lunge unter Ruhe- und Entzündungsbedingungen. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Mäuse systemisch mit Fms-like tyrosine kinase-3-Ligand (Flt3L), dem wichtigsten in vivo-Wachstumsfaktor für die DC-Differenzierung, behandelt. Der Beitrag verschiedener Adhäsionsmoleküle zur DC-Rekrutierung wurde durch Gabe von funktionsblockierenden monoklonalen Antikörpern untersucht. Die Gabe von Flt3L führte zu einer starken Anreicherung von DC in der Lunge; diese Rekrutierung war abhängig von beta2-Integrinen, während die Blockade des beta1-Integrins CD29/CD49d und seines Interaktionspartners VCAM-1 keinen blockierenden Effekt hatte. Die intratracheale Gabe von Lipopolysaccharid führte in Flt3L-vorbehandelten Mäusen zu einem dramatisch verstärkten Entzündungsphänotyp im Vergleich zu den Kontrollen, ablesbar an einer deutlich höheren Zahl von Leukozyten im Lungengewebe und in der bronchoalveolären Lavage, einem moderaten TNF-alpha- und dramatischen IL-12-Anstieg und einer schweren Schädigung der alveolokapillären Schrankenfunktion. Diese aggravierte Entzündung konnte durch eine Blockade der DC-Anreicherung in der Lunge durch anti-CD11a-Antikörper auf das Niveau der kontroll-behandelten Mäuse reduziert werden, persistierte aber nach einer Depletion der neutrophilen Granulozyten. Dieses zeigt eine neue, bisher unbekannte Bedeutung von DC für die Regulation der Schrankenfunktion in der Lunge. Diese Befunde konnten in einem Infektionsmodell mit Klebsiella pneumoniae bestätigt werden. Auch in diesem Modell zeigte sich eine starke Verstärkung der Entzündungsantwort in Flt3L-vorbehandelten Tieren, zudem wiesen diese Tiere eine deutlich erhöhte Mortalität gegenüber den Kontrolltieren auf. In der Zusammenschau zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung eine neue, bisher unbekannte Funktion von DC der Lunge in der Initiierung und der frühen Phase bakterieller Pneumonien. Darüberhinaus erweitern und modifizieren diese hier präsentierten Ergebnisse das bisher bekannte pathophysiologische Bild dieser wichtigen Erkrankung. Dendritic cells (DCs) are important regulators of the immune system and are critically involved in the immunosurveillance of the lung. They reside in close proximity to both the large airways and the alveoli and constantly take up and process antigen. While many aspects of lung DC biology in adaptive immune responses have been addressed, their role in acute bacterial pneumonia is less well understood. Their unique equipment with receptors and effector molecules of the innate immune system, however, and their capacity to produce large amounts of both proinflammatory and immuneregulatory cytokines within the first hours after antigen contact raises the question of the contribution of lung DC to the initiation and course of the early phase of bacterial pneumonia. Another question that has been only partially adressed is the contribution of the different adhesion molecules for DC recruitment to the lung under non-inflammatory and inflammatory conditions. To address these questions, mice were treated systemically with Fms-like tyrosine kinase-3 ligand (Flt3L), the most important in vivo growth factor for DC proliferation and differentiation. The contribution of adhesion molecules were analyzed by coapplication of function-blocking monoclonal antibodies against various adhesion molecules. Flt3L treatment of mice elicited a strong lung DC accumulation that was mainly dependent on beta2 integrins, blockade of which led to a >80% reduction of DC numbers in lung homogenates. In contrast, blockade of both beta1 integrin CD29/CD49d and VCAM-1 did not affect Flt3L elicited lung DC accumulation. Intratracheal challenge with lipopolysaccharide resulted in a much more severe inflammatory response in the lung of Fl3L pretreated than of vehicle-treated mice, as demonstrated by increased leukocyte numbers in lung tissue and bronchoalveolar lavage; moderately increased TNF-alpha and dramatically increased IL-12 levels; and, most importantly, a severe aggravation of the lung leakage. This aggravated inflammation could be inhibited by anti-CD11a-mediated inhibition of Flt3L elicited lung DC accumulation, but persisted after depletion of neutrophils, indicating a novel, hitherto unrecognized role of lung DC in the regulation of the lung barrier integrity. Importantly, these findings could be confirmed in Klebsiella pneumoniae infection model, where Flt3L pretreated mice did not only exhibit a severely aggravated inflammation, but also an increased mortality compared to vehicle-treated mice. Taken together, the results of this study shed a new light on the role of lung DC in the initiation and the early phase of acute bacterial pneumonia, and expand and partially redefine the pathophysiologic concept of acute lung inflammation.