Interleukin 3 receptor signaling alters the biomechanical and migratory properties of regulatory CD4+ T cells and counteracts intestinal inflammation

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2024-03-25
Authors
Ullrich, Karen Anne-Marie
Editor
Abstract

Inflammatory bowel diseases (IBD) with the most frequent subtypes being ulcerative colitis and Crohn’s disease, are relapsing-remitting inflammatory disorders of the gastrointestinal tract with the highest prevalence in industrialized countries. The main symptoms of IBD are abdominal pain, cramps and diarrhea, which heavily impact the patients’ general well-being. Moreover, due to the chronic nature of the diseases and the risk for serious complications, life-long therapy is often required and affected patients frequently experience substantial constraints in social participation. However, the pathogenesis of IBD is still not fully elucidated and therapeutic options are only effective in subgroups of patients. Thus, more detailed insights into the immunologic mechanisms driving IBD to develop novel treatment options for these diseases are necessary. Despite the fact that an important role of interleukin 3 (IL-3) has been shown in the context of several other immune-mediated diseases such as arthritis, myocarditis or sepsis, its role in IBD is still unknown. Therefore, the aim of this work was to uncover the role of IL-3 for the T cell-dependent pathogenesis of chronic intestinal inflammation by profiling its expression in mice and humans, by addressing its effects on cytoskeleton and mechanobiology, by determining its role for T cell migration in vitro and in vivo and by evaluating its impact on experimental colitis. In the inflamed human and mouse gut tissue an upregulation of IL-3 was observed. Additionally, Il3 and Il3ra deficiency in mice aggravated T cell dependent experimental colitis, which was attributable to alteration of actin cytoskeleton dynamics resulting in higher elasticity of regulatory T cells (Tregs). This led to increased Treg egress from the inflamed gut resulting in an overweight of pro-inflammatory effector T cells. Consistently, IL-3 had similar impact on mechanobiology and migration in human T cells and its expression correlated with the abundance of Tregs in the gut of patients with IBD. Taken together, this study shows for the first time that IL-3 receptor signaling controls T cell trafficking by inducing changes in the actin cytoskeleton leading to modulation of the mechanobiology and, thus, to an altered migratory behavior of regulatory T cells. Therefore, IL-3 seems to be a promising candidate for future therapeutic approaches in IBD.

Abstract

Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED), zu denen Colitis ulcerosa und Morbus Crohn gehören, sind meist schubförmig verlaufende entzündliche Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts mit höchster Prävalenz in Industrieländern. Zu den Hauptsymptomen der CED zählen Bauchschmerzen, Krämpfe und Diarrhoe, welche das allgemeine Wohlbefinden der Patienten stark beeinträchtigen. Aufgrund des chronischen Charakters der Erkrankungen und des Risikos schwerwiegender Komplikationen ist zudem oft eine lebenslange Therapie erforderlich, weshalb betroffene Patienten häufig erhebliche Einschränkungen in ihrem Sozialleben erfahren. Trotzdem ist die Pathogenese der CED noch immer nicht vollständig geklärt und therapeutische Optionen sind nur bei einem Teil der Patienten wirksam. Daher sind genauere Erkenntnisse über die immunologischen Mechanismen im Kontext von CED erforderlich, um neue Behandlungs-möglichkeiten für diese Erkrankungen zu entwickeln. Obwohl eine wichtige Rolle von Interleukin 3 (IL-3) im Zusammenhang mit verschiedenen anderen immunvermittelten Krankheiten wie Arthritis, Myokarditis oder Sepsis nachgewiesen wurde, ist dessen Einfluss auf CED noch ungeklärt. Daher war es Ziel dieser Arbeit die Rolle von IL-3 auf die T-Zell-vermittelte Pathogenese chronischer Darmentzündung aufzudecken. Hierfür wurde zunächst die IL-3 Expression im murinen und humanen System analysiert. Zudem wurde die Auswirkung von IL-3 auf das Zytoskelett und die Mechanobiologie von T-Zellen und die damit verbundene in vitro und in vivo Migration sowie die Rolle von IL-3 bei experimenteller Kolitis untersucht. Zunächst konnte eine im Vergleich zu anderen Organen und nicht-entzündetem Gewebe erhöhte Expression von IL-3 im entzündeten humanen und murinen Darmgewebe beobachtet werden. Darüber hinaus löste ein Mangel an Il-3 oder Il-3ra eine verstärkte experimentelle Kolitis aus. Dies war auf eine Veränderung der Aktin-Zytoskelett-Dynamik zurückzuführen, die in einer höheren Elastizität von regulatorischen T-Zellen (Tregs) resultierte. Dies begünstigte die Auswanderung der Tregs aus dem entzündeten Darmgewebe, was wiederum zu einem Übergewicht von pro-inflammatorischen Effektor-T-Zellen im Darmgewebe führte. Zudem konnte gezeigt werden, dass IL-3 einen ähnlichen Einfluss auf die Mechanobiologie und die Migration humaner T-Zellen hatte und dessen Expression mit der Anzahl an Tregs im Darm von CED Patienten korrelierte. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit zum ersten Mal, dass der durch IL-3 Rezeptor vermittelte Signalweg die Migration von T-Zellen entscheidend beeinflusst, indem er Veränderungen in deren Aktin-Zytoskelett hervorruft. Dies führt zu einer Modulation der Mechanobiologie und letztlich des Wanderungsverhaltens regulatorischer T-Zellen. Daher scheint IL-3 ein vielversprechender Kandidat für die Therapie chronischer Darmentzündung zu sein.

DOI
URN
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