The role of interleukin-1 family members during early human placental development

The establishment of a functional placenta is integral for normal fetal development and the maintenance of pregnancy. In the course of placentation, trophoblast progenitors differentiate into highly invasive trophoblast subtypes that infiltrate the uterine wall, where they transform spiral arteries to establish an uteroplacental blood circulation. This differentiation process towards an invasive phenotype is tightly controlled by a diversity of factors. One case in point is the highly complex pregnancy-related cytokine network that likely modulates trophoblast behavior. Notably, altered cytokine levels have been observed in pregnancy disorders such as preeclampsia, resulting from insufficient trophoblast invasion. Yet, little is known about the direct effects cytokines exert on trophoblasts. This thesis project aimed to elucidate the role of interleukin (IL)-1 family members, namely IL-1[beta] and IL-33, during early human placental development. In the past, pregnancy-related functions have been ascribed to both cytokines. While IL-1[beta] has emerged as important player during blastocyst implantation, its effect on placentation and trophoblast invasion has not been conclusively answered and was therefore re-evaluated in this project. IL-33 is a potent mediator of type-2 cytokine responses, which are central for the maintenance of pregnancy. Notably, elevated serum levels of soluble ST2, the natural inhibitor of IL-33, have been recently reported in patients with preeclampsia. However, the role of the IL-33/ST2 axis during healthy pregnancy remained elusive and was thus approached in this thesis. Descriptive analyses showed strong expression of the IL-1 receptor by human trophoblasts. Treatment with recombinant IL-1[beta] significantly induced invasion of primary trophoblasts and trophoblast outgrowth in placental explant cultures. In the presence of IL-1[beta], secretion of the invasion-associated protease urokinase was remarkably upregulated in both model systems. The IL-33 receptor ST2L also localized to various trophoblast subtypes, whereas IL-33 was detected in the cytoplasm of placental and decidual macrophages. ELISA analysis revealed the active secretion of IL-33 by both macrophage populations. Recombinant IL-33 strongly enhanced BrdU incorporation into primary trophoblasts and this effect was also seen in placental explant cultures. Finally, IL-33-dependent proliferation was found to be mediated via PI3K/AKT and MAPK/ERK signaling pathways. Altogether, these findings highlight the vital impact of the IL-1 family on trophoblast invasion and placental growth during early pregnancy.Die Aufrechterhaltung der Schwangerschaft ist an die physiologische Entwicklung und Integrität der Plazenta gekoppelt. Im Zuge der Nidation wachsen plazentare Trophoblastenzellen invasiv in die Gebärmutterwand und mütterlichen Spiralarteriolen ein. Diese werden so umgebaut, dass ein utero-plazentarer Kreislauf entstehen kann. Neben einer Vielzahl an Regulationsmechanismen sind Zytokin-mediierte Prozesse maßgeblich an der Entwicklung der Plazenta beteiligt und damit ausschlaggebend für einen erfolgreichen Schwangerschaftsverlauf. So wurden beispielsweise veränderte Zytokinlevel mit Schwangerschaftserkrankungen wie Präeklampsie, welche durch unzureichende Trophoblasteninvasion gekennzeichnet ist, in Zusammenhang gebracht. Dennoch ist wenig über den direkten Einfluss von Zytokinen auf Trophoblasten bekannt. Ziel dieses Dissertationsprojektes war es, die Rolle von Zytokinen der Interleukin (IL)-1 Familie, nämlich IL-1[beta] und IL-33, während der humanen Plazentaentwicklung in der Frühschwangerschaft zu erforschen. Beiden Zytokinen wurden im Laufe der letzten Jahre schwangerschaftsrelevante Funktionen zugeschrieben. Während die Rolle von IL-1[beta] in Bezug auf die Nidation allgemein bekannt ist, bleibt der Einfluss dieses Zytokins auf die Trophoblasteninvasion unklar. Daher galt es, dessen Funktion neu zu evaluieren. IL-33 induziert die Ausschüttung von Typ-2 Zytokinen, welche für die Schwangerschaft bedeutsam sind. In einer kürzlich veröffentlichten Studie konnte gezeigt werden, dass solubles ST2, der natürliche Inhibitor von IL-33, im Serum von präeklamptischen Patientinnen erhöht ist. Die Rolle des IL-33/ST2 Systems in der gesunden Schwangerschaft blieb jedoch gänzlich unerforscht und wurde deshalb im Zuge dieser Studie untersucht. Deskriptive Analysen ergaben, dass der IL-1 Rezeptor von humanen Trophoblasten exprimiert wird und durch Zugabe von rekombinantem IL-1[beta] die Trophoblasteninvasion sowohl in Primärzellkulturen als auch in plazentaren Explantkulturen stark zunimmt. Außerdem wurde die Sekretion von Urokinase, einer invasions-assoziierten Protease, in beiden Modellsystemen durch IL-1[beta] induziert. Auch der IL-33 Rezeptor ST2L wurde an der Zelloberfläche mehrerer Trophoblastenpopulationen detektiert. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass IL-33 von villösen und dezidualen Makrophagen exprimiert und sezerniert wird. Funktionelle Studien ergaben, dass rekombinantes IL-33 die Proliferation von primären Trophoblasten sowie von plazentaren Explantkulturen signifikant erhöht. Zuletzt konnte gezeigt werden, dass IL-33-abhängige Proliferation über PI3K/AKT und MAPK/ERK Signalwege mediiert wird. Die gewonnenen Daten implizieren eine wichtige Rolle der IL-1 Familie während der Trophoblasteninvasion und dem plazentarem Wachstum in der frühen Schwangerschaft.submitted by Valerie FockAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2014OeBB(VLID)171640