Reg3beta restricts the spatiotemporal accumulation of neutrophil granulocytes within the ischemic heart

Abstract

Unmittelbar nach einem Herzinfarkt wird das angeborene Immunsystem, welches endogene Reparaturprozesse einleitet, aktiviert. Die zu Beginn förderlichen Auswirkungen der inflammatorischen Reaktion können jedoch bald schädlich für das Herz werden und den Infarktbereich vergrößern. Neutrophile Granulozyten wandern als erste Immunzellen in das infarzierte Herz ein. Durch Phagozytose und Freisetzung von degradierenden Enzymen entfernen sie nekrotische Kardiomyozyten und Matrixtrümmer und begünstigen so das kardiale Remodeling. Eine exzessive und anhaltende Immunantwort von neutrophilen Granulozyten kann jedoch zu einem beeinträchtigten Remodeling führen. Daher ist eine räumlich und zeitlich regulierte Entfernung von neutrophilen Granulozyten von grundlegender Bedeutung für ein Abklingen der Inflammation und Förderung von Wundheilung. Diese Arbeit beschreibt einen neuen Mechanismus zur Entfernung kardialer neutrophile Granulozyten vom Entzündungsort des infarzierten Herzens durch das aus Kardiomyozyten stammende C-Typ Lektin Reg3beta. Es konnte gezeigt werden, dass Reg3beta mit einer Subpopulation inflammatorisch aktiver kardialer neutrophile Granulozyten kolokalisiert und direkt an diese bindet, was zu einem aponekrotischen Zelltod führte. In diesem Zusammenhang verursachte der Verlust von Reg3beta eine erhöhte Akkumulation von neutrophilen Granulozyten im nicht-infarzierten Bereich 4 Tage nach experimentellem Herzinfarkt, was vermutlich eine Destabilisierung der linksventrikulären Wand und eine Herzruptur zur Folge hatte. Der durch Reg3beta-vermittelte Zelltod der neutrophilen Granulozyten wurde durch LDH Freisetzung, intrazelluläre ATP-Abnahme und der Aufnahme von Cytotox Green innerhalb der ersten Stunde nach Stimulation in vitro bestätigt. Morphologische Veränderungen waren gekennzeichnet durch Vakuolenbildung im Zytoplasma und Degradierung intrazellulärer Organellen ohne die Ausbildung von Apoptosekörperchen. Ruhende oder inflammatorisch inaktive neutrophile Granulozyten aus dem Knochenmark, Blut und Milz waren nicht responsiv auf Reg3beta. Die Reg3beta-Bindung an kultivierte neutrophile Granulozyten aus der Maus erfolgte über Erkennung der Kohlenhydratreste N-acetylgalactosamine, N-Acetylglucosamin und Mannose auf der Zelloberfläche. Daraufhin wurde Reg3beta durch Clathrin-vermittelte Endozytose internalisiert und vermutlich über den endolysosomalen Weg zu azurophilen Granula bzw. primären Lysosomen transportiert. Zeitgleich mit der Aufnahme von Reg3beta stieg die intrazelluläre ROS-Produktion rasch an und die primären Lysosomen wurden destabilisiert, was eine Freisetzung von Cathepsin ins Zytosol zur Folge hatte und somit einen lysosomalen Zelltod auslöste. Außerdem förderte Reg3beta durch die Induktion des Zelltods die Efferozytose von neutrophilen Granulozyten durch Makrophagen in vivo. Zusammengefasst stellt die Induktion des ROS-abhängigen lysosomalen Zelltodes durch Reg3beta einen neuen Mechanismus zur Entfernung inflammatorisch aktiver neutrophiler Granulozyten aus dem geschädigten Herzen nach Infarkt dar. The onset of myocardial infarction (MI) promptly activates the innate immune system to initiate endogenous repair processes. However, the initially beneficial effects of the inflammatory response can rapidly become injurious for the heart and promote infarct expansion. Neutrophils are the first immune cells that infiltrate the infarcted heart. They clear the injured area from necrotic cardiomyocytes and matrix debris by phagocytosis and the release of degrading enzymes, promoting cardiac remodeling. If not tightly regulated in a spatiotemporal manner, an excessive and prolonged immune response of neutrophils results in an impaired remodeling process. Hence, a timely resolved clearance of neutrophils is fundamental for the resolution of inflammation and wound healing. This project reveals a novel mechanism for the removal of cardiac neutrophils from the site of inflammation by the cardiomyocyte-derived C-type lectin Reg3beta after the onset of experimental MI. Reg3beta co-localized and directly bound to a subpopulation of inflammatory active cardiac neutrophils inducing an aponecrotic-like cell death. In this context, loss of Reg3beta led to an increased accumulation of neutrophils in the remote zone of the infarcted heart at day 4 post-MI, which is presumably associated with the destabilization the left ventricular wall causing cardiac rupture. Reg3beta-mediated cell death of inflammatory active neutrophils was confirmed by LDH release, intracellular ATP decrease and incorporation of Cytotox Green within the first hour of stimulation in vitro. Morphological changes were characterized by cytoplasmic vacuolization and degradation of intracellular organelles without the formation of apoptotic bodies. Resting or unprimed neutrophils from the bone marrow, blood and spleen were not responsive to Reg3beta. Reg3beta binding on primary neutrophils was dependent on the recognition of the carbohydrate residues N-Acetylgalactosamin, N-acetylglucosamine and mannose on the cell surface. Consequently, Reg3beta was internalized by clathrin-mediated endocytosis and transported to azurophilic granules or rather primary lysosomes presumably via the endolysosomal pathway. Concurrently with Reg3beta engulfment, intracellular ROS production rapidly increased and primary lysosomes were destabilized resulting in cytosolic cathepsin release and lysosomal-dependent cell death. Finally, Reg3beta binding and induction of cell death facilitated efferocytosis of neutrophils by macrophages in vivo. In summary, Reg3beta mediates a ROS-dependent lysosomal cell death in neutrophils, representing a novel clearing mechanism of inflammatory active neutrophils from the site of cardiac damage after the onset of MI contributing to the resolution of inflammation.