Immunregulation, intestinale Barrierestörung und mikrobielle Translokation beim Morbus Whipple

Einführung: Der klassische Morbus Whipple (M. Whipple) ist eine systemische, chronische Infektion verursacht durch das Bakterium Tropheryma whipplei (T. whipplei). Charakteristische Symptommanifestation ist der Gastrointestinaltrakt mit chronischer Diarrhoe und Zeichen der Malabsorption. Eine Makrophagenakkumulation in der Lamina propria, welche große Mengen an Periodic acid-Schiff (PAS)-positiven Partikeln enthalten, ist pathognomonisch für den klassischen M. Whipple. Während die mukosale Immunreaktion durch ein tolerogenes Milieu charakterisiert ist, welche verschiedenen immunologischen Defiziten der Patienten sowie anti-inflammatorischer Effekte von T. whipplei selbst zugeschrieben werden, ist die Rolle regulatorischer T-Zellen (Tregs), die immunologische Grundlage des entzündlichen Immunrekonstitutionssyndroms (IRIS) sowie die Ursache der systemischen Entzündungsreaktion bisher nicht aufgeklärt. Außerdem galt es zu untersuchen inwieweit die mukosale Infektion beim M. Whipple mit den zu beobachtenden gastrointestinalen Symptomen verbunden ist. Methoden: Dünndarmproben wurden mittels Zangenbiopsie im Rahmen der Routineösophagogastroduodenoskopie entnommen. Die Biopsien wurden umgehend für elektrophysiologische Experimente in Ussing-Kammern und Analyse der Zytokinproduktion präpariert, oder nach einer Fixierung und Paraffineinbettung für immunhistochemische und strukturelle Analysen verwandt. Die Detektion der Tight junction-Proteinexpression erfolgte durch Westernblotanalyse. Surrogatmarker einer mikrobiellen Translokation (MT) sowie entzündlichen Reaktion wurden im peripheren Blut gemessen. Die Phänotypisierung und Funktionsanalyse von zirkulierenden Immunzellen geschah mittels Durchflusszytometrie. Resultate: Wir konnten eine erhöhte Anzahl von mukosalen Tregs und assoziierter Zytokine nachweisen. Zirkulierende Tregs wiesen darüber hinaus einen aktivierten Phänotyp auf, der eine T-Zell-Anergie vermitteln kann. Die verminderte gegenregulative Kapazität durch Tregs war außerdem mit einer unspezifischen Aktivierung und Expansion von CD4+ T-Zellen beim IRIS assoziiert. Eine hyperregenerative mukosale Transformation, ging mit einem Verlust des differenzierten Oberflächenepithels und nachfolgend mit einer erhöhten Permeabilität für osmotisch aktive Elektrolyte und Makromoleküle einher. Die duodenale Architektur- und Permeabilitätsstörung zeigte sich unter antibiotischer Therapie rückläufig. Das strukturelle Korrelat für die beobachtete Barrierestörung bildete eine veränderte Expression der transmembranalen Proteine Claudin-1, Claudin-2, Claudin-3 und Tricellulin. Die biologische Signifikanz der mukosalen Barrierestörung wurde durch den Nachweis erhöhter Serummarker einer MT, welche unter antibiotische Therapie wieder rückläufig waren, unterstrichen. Schlussfolgerung: Tregs könnten zur chronischen Infektion und systemischen Ausbreitung von T. whipplei beitragen und sind außerdem an der T-Zell-Rekonstitution beim IRIS beteiligt. Die mukosale Immunantwort ist verantwortlich für die Barrierestörung beim klassischen M. Whipple. Der Verlust von Absorptionskapazität sowie ein Leckflux von Ionen und Wasser stellen die Ursache der Diarrhoe dar. Eine gesteigerte Permeabilität für Makromoleküle und die nachfolgende vermehrte MT sind ein Mediator der systemischen Entzündungsreaktion. Die mukosale Barriere modulierende Therapien könnten eine symptomatische Strategie bei Patienten mit einem klassischen M. Whipple darstellen.Introduction: Classical Whipple’s disease (CWD) is a chronic disseminated infection caused by Tropheryma whipplei (T. whipplei). Most patients suffer from gastrointestinal symptoms such as chronic diarrhea and malabsorption. CWD is characterized by accumulation of small intestinal mucosal macrophages, which are densely packed with periodic acid–Schiff (PAS)-stained granules corresponding to intracellular bacteria. Although the tolerogenic mucosal immune reaction was attributed to a subtle immune defect of the host and to anti-inflammatory effects of T. whipplei, little is known about the role of regulatory T cells (Tregs), the immunological processes underlying immune reconstitution inflammatory syndrome (IRIS) and the causes of systemic inflammation in CWD. Further, the question how the mucosal infection in CWD is linked to the gastrointestinal symptoms of the patients is unresolved. Methods: Duodenal mucosa specimens were obtained by forceps biopsy during routine upper gastroduodenal endoscopy. Biopsies were immediately processed to electrophysiological experiments in Ussing-type chambers or analysis of cytokine production or fixed and embedded in paraffin for immunohistochemical and structural analysis. For detection of tight junction protein expression western blot analysis was performed. Surrogate markers of microbial translocation (MT) and inflammation were measured in peripheral blood samples. Immune cells were characterized and functionally analyzed by flow cytometry. Results: The numbers of mucosal Tregs and related cytokines was found to be increased. Further, peripheral Tregs exhibit a more activated phenotype that facilitates exhaustion of effector CD4+ T cells. A nonspecific activation and expansion CD4+ T cells that are not sufficiently counterbalanced by Tregs mediates IRIS in CWD. Our data indicate a hyperregenerative small intestinal mucosal transformation with loss of differentiated surface epithelium subsequently increasing duodenal permeability to small osmotically active solutes and macromolecules. Duodenal architecture and permeability ameliorated upon antibiotic treatment. Structural correlates for these alterations were concordant changes of membranous claudin-1, claudin-2, claudin-3, and tricellulin expression. Increased serum markers of MT and their decline following treatment corroborated the biological significance of the mucosal barrier defect. Conclusion: Tregs might contribute to the chronic infection and systemic spread of T. whipplei in CWD and during T cell reconstitution in CWD IRIS they reveal insufficient regulative capacity. Furthermore, the mucosal immune responses in CWD elicit barrier dysfunction. Diarrhea is caused by loss of absorptive capacity and leak flux of ions and water. Increased permeability to macromolecules and subsequent MT contributes to systemic inflammation. Thus, therapeutic strategies to reconstitute the mucosal barrier and control inflammation could assist symptomatic control of CWD