Molecular mechanisms of the interactions between commensal microbiota and host immunity in murine intestinal inflammation

Das komplexe Zusammenspiel zwischen der Darm-Mikrobiota und dem Immunsystem des Wirtes ist von zentraler Bedeutung für die Aufrechterhaltung der intestinalen Hömöostase. Bei einer Dysbalance dieses Mutualismus hingegen können kommensale Bakterien zur Entstehung von Immunpathologien beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden die intestinalen Florenverschiebungen sowie molekularen Mechanismen der wechselseitigen Interaktionen zwischen der Mikrobiota und dem Wirt während intestinaler Immunpathologien in akuten Inflammationsmodellen unterschiedlicher Ätiologie und Lokalisation (Toxoplasma gondii-Ileitis, DSS-Kolitis) aufgeklärt. So war die Immunpathogenese mit markanten Veränderungen der luminalen Mikrobiota in entzündeten Abschnitten vergesellschaftet, die von einem Verlust an Diversität und einem Überwuchern des Darmlumens mit Gram-negativen Spezies, wie z. B. kommensalen E. coli, gekennzeichnet war. Bei der akuten DSS-Kolitis korrelierte die intestinale E. coli-Dichte gar mit der Schwere des Krankheitsbildes. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß insbesondere das Lipopolysaccharid von E. coli über TLR-4-abhängige Signalwege ursächlich an der Entzündungsentstehung und Aufrechterhaltung der Immunpathologie beteiligt war. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß nach Induktion einer akuten Ileitis oder Kolitis luminale Konzentrationen von biologisch aktiven TLR-2- (Lipopeptid-), TLR-4- (Lipopolysaccharid-) und/oder TLR-5- (Flagellin-) Liganden in Abhängigkeit von der jeweiligen Immunpathologie anstiegen. So konnten im Ileum von Mäusen mit akuter Ileitis stark erhöhte Konzentrationen von Lipopeptid-, Lipopolysaccharid- und Flagellin-Äquivalenten bestimmt werden. Im Kolon von Mäusen, die unter akuter DSS-Kolitis litten, waren hingegen die Konzentrationen der Äquivalente von Lipopeptid vergleichsweise moderat, die für LPS stark erhöht, während die Flagellin-Konzentrationen unverändert blieben. Diese Veränderungen der TLR-Liganden spiegeln die Anstiege potentiell pro-inflammatorisch wirksamer bakterieller Spezies der jeweiligen Darmmikrobiota bei definierten Entzündungskonditionen und somit in ihrer Komplexität Modell-spezifische Muster wider. Schließlich konnten wir zeigen, daß die Suszeptibiltät von Mäusen gegenüber einer oralen Campylobacter jejuni- Infektion maßgeblich von der Zusammensetzung der Darmmikrobiota des Wirtes abhängig ist. Während konventionell besiedelten Mäuse vor einer C. jejuni- Infektion geschützt waren, konnte das Pathogen bei Mäusen, deren Darmmikrobiota durch eine Breitspektrum-Antibiotikabehandlung depletiert und mit einer komplexen humanen Darmflora rekonstituiert worden war, stabil ansiedeln und pro-inflammatorische Immunantworten wie bei der humanen Campylobakteriose auslösen. Zudem war die Immunpathologie maßgeblich von der TLR-4- und -9-abhängigen Erkennung des bakteriellen Lipooligosaccharids und CpG-DNA abhängig. Zusammenfassend, konnten durch die vorliegenden Arbeiten wichtige Aspekte der molekularen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Darmmikrobiota und Rezeptoren des angeborenen Immunsystems in verschiedenen murinen Darmentzündungsmodellen beigesteuert werden. In Zukunft könnten gegen die Darmmikrobiota gerichtete Maßnahmen neue Strategien für die ergänzende oder alternative Behandlung und Prophylaxe von Darmentzündungen beim Menschen eröffnen.The complex interplay between the gut microbiota and the host immune system is of pivotal importance for maintaining intestinal homeostasis. A dysbalance of this mutualism, however, contributes to intestinal immunopathological conditions where commensal bacteria are essentially involved in. In the present habilitation thesis intestinal gut flora shifts and molecular mechanisms of the interactions between the microbiota and the host during intestinal immunopathologies were elucidated in acute murine models of different etiology and localization (i.e. Toxoplasma gondii-induced Ileitis, DSS-induced colitis). The respective immunopathological conditions were associated with distinct shifts of the luminal microbiota composition at inflamed tissue sites such as loss of diversity and an overgrowth with Gram- negative species (i.e. commensal Escherichia coli). In acute DSS-induced colitis intestinal E. coli loads directly correlated with severity of disease. Furthermore, TLR-4 dependent signaling of lipopolysaccharide (LPS) derived from commensal intestinal E. coli was directly involved in induction and perpetuation of intestinal immunopathology. In addition, luminal concentrations of biologically active TLR-2 (lipopeptide), TLR-4 (LPS) and/or TLR-5 (flagellin) ligands increased during the respective immunopathological process following induction of acute ileitis or colitis. In mice suffering from acute ileitis, for instance, ileal concentrations of lipopeptide, LPS and flagellin equivalents increased markedly. Following acute colitis induction, however, increases in colonic concentrations of equivalents for lipoprotein and LPS were rather moderate and high, respectively, whereas flagellin concentrations remained virtually unchanged. Hence, these changes of distinct TLR ligands mirror increases in potentially pro-inflammatory bacterial species of the commensal microbiota in defined inflammatory conditions and model- specific patterns. Finally, we could demonstrate that the susceptibility of mice for oral Campylobacter jejuni infection highly depends on the host- specific intestinal microbiota composition. Whereas conventionally colonized mice were protected from C. jejuni infection, the pathogen was able to stably colonize the gastrointestinal tract of gnotobiotic mice with a depleted microbiota (following broad-spectrum antibiotic treatment) and in mice harboring a complex human microbiota following per oral fecal transplantation and to induce pro-inflammatory immune responses in the large intestines thereby mirroring key features of human campylobacteriosis. Further, C. jejuni induced immunopathology was highly dependent on TLR-4 and TLR-9 dependent signaling of bacterial lipooligosaccharide and CpG-DNA. In summary, the presented studies contribute significantly to our understanding of the molecular mechanisms underlying the interplay between the gut microbiota and the receptors of the innate immune system in distinct murine intestinal inflammation models. In conclusion, against the intestinal microbiota directed measures could provide novel strategies for prophylaxis and treatment of intestinal inflammation in humans