Analysis and manipulation of cell-mediated immune responses in shiga toxin-induced kidney injury
Shiga toxin (Stx)-‐producing enterohemorrhagic Escherichia coli (STEC) are the primary cause of hemolytic uremic syndrome (HUS), a life-‐threatening disease characterized by hemolytic anemia, thrombocytopenia and acute kidney failure. Endothelial cells were shown to be the main target for the cytotoxic effects of Stx leading to endothelial damage, recruitment of leukocytes, and thrombus formation. However, the precise contribution of monocytes, macrophages and neutrophils in the pathogenesis of HUS remains unclear and a therapy for STEC-HUS is still elusive.
In this study, we have investigated the contribution of
specific monocyte/macrophage subsets and the role of neutrophil recruitment to the pathology of HUS. To this end, a murine HUS model was employed in which mice were intravenously injected with a combination of Stx and lipopolysaccharide (LPS) to mimic a STEC infection.
We observed impaired renal function as well as elevated levels of monocyte/macrophage-‐ and neutrophil-‐recruiting chemokines in the kidney of Stx/LPS-‐injected mice. Accordingly, flow cytometric analysis revealed increased numbers of CCR2-‐dependent Gr1high monocytes and neutrophils within the kidney, demonstrating myeloid cell infiltration during HUS. Positron emission tomography-‐magnetic resonance (PET-‐MR) imaging revealed renal injury mainly in the kidney cortex coinciding with the detection of Gr1high monocytes and neutrophils in this renal compartment. Indeed, reduced recruitment of Gr1high monocytes in Ccr2-‐deficient (Ccr2-‐/-‐) mice significantly ameliorated kidney injury and improved survival of these mice. Moreover, Ccr2-‐/-‐ x Cx3cr1gfp/gfp mice, which showed reduced abundance of Gr1high monocytes and Gr1low macrophages in the kidney, were completely protected from renal damage, indicating an essential role of both cell subsets. Furthermore, targeting CXCR2-‐dependent recruitment of neutrophils in either Cxcr2-‐deficient mice or by pharmacological inhibition (SB 225002) significantly ameliorated HUS and reduced mortality.
Conclusively, this study identifies PET-‐MR imaging as a potential non-‐invasive approach to evaluate kidney damage in STEC-‐HUS. Moreover, these data demonstrate the crucial role of Gr1high monocytes, Gr1low macrophages and CXCR2-‐mediated neutrophil recruitment in renal injury in the murine model of HUS. Targeting the recruitment of these myeloid cells may serve as a first therapy against this devastating and severe disease.
Das hämolytisch urämische Syndrom (HUS) ist eine lebensbedrohliche Krankheit, welche klinisch durch das Auftreten einer mikroangiopathischen Anämie, einer Thromozytopenie und akutem Nierenversagen gekennzeichnet ist. Die primäre Ursache für HUS ist eine Infektion mit Shiga Toxin (Stx)-‐produzierenden Escherichia Coli, so genannten STEC. Die Pathogenität dieser Bakterien wird hauptsächlich über das Stx vermittelt, welches an Endothelzellen der Niere bindet und Endothelschäden, die Einwanderung von Immunzellen und die Bildung eines Thrombus induziert. Obwohl mehrere deskriptive Studien auf eine Rolle von Monozyten, Makrophagen und neutrophilen Granulozyten im HUS hinweisen, ist der Beitrag dieser myeloiden Zellen zum Nierenschaden bisher noch nicht vollständig aufgeklärt und effektive Interventionsstrategien gegen HUS fehlen. Aus diesem Grund werden in dieser Studie die Rolle verschiedener Monozyten/Makrophagen-‐Subtypen und der Beitrag der Neutrophilen-Rekrutierung zur Nierenschädigung im Kontext des HUS ntersucht. Hierzu wurden Mäuse mit einer Kombination aus Stx und Lipopolysacchariden (LPS) injiziert um eine STEC-‐Infektion zu simulieren. In Nierenhomogenaten von Stx/LPS-behandelten Mäusen wurden erhöhte Mengen von Chemokinen nachgewiesen, welche onozyten/Makrophagen und Neutrophile Granulozyten rekrutieren. Weiterhin konnte durch durchflusszytometrische und histologische Analysen gezeigt werden, dass die Zellzahlen von inflammatorischen CCR2-‐abhängigen Gr1high Monozyten und neutrophilen Granulozyten hauptsächlich in den kortikalen Bereichen der Niere nach Stx/LPS-‐Injektion erhöht waren. Untersuchungen mittels Positronen-‐Emissions-‐Tomographie und agnetresonanztomographie (PET-‐MR) deuteten darauf hin, dass die Infiltration des Nieren-‐Kortex durch myeloide Zellen mit einem erhöhten Endothelschaden in diesem Bereich koinzidierte. Tatsächlich führte eine verminderte Rekrutierung von Gr1high Monozyten in Ccr2-‐defizienten (Ccr2-‐/-‐) Mäusen zu verringertem Nierenschaden und verminderter Mortalität. Ccr2-‐/-‐ x Cx3cr1gpf/gfp Mäuse, welche reduzierte Zellzahlen von sowohl Gr1high Monozyten als auch Gr1low Makrophagen zeigten, waren vollständig vor der Entstehung von Nierenschäden geschützt. Diese Daten weisen auf eine Beteiligung von Gr1high Monozyten und Gr1low Makrophagen an Stx-vermittelten Endothelschäden in der Niere hin.
Des Weiteren wurde in Stx/LPS-‐injizierten Mäusen, in denen die CXCR2-‐vermittelte Neutrophilen-‐Rekrutierung genetisch (Cxcr2d/d) oder pharmakologisch (SB 225002) inhibiert wurde, reduzierter Nierenschaden und verringerte Letalität nachgewiesen. Dies deutet auf eine essentielle Rolle der Neutrophilen-‐Rekrutierung im HUS hin.
Zusammenfassend konnte in dieser Studie die PET-‐MR Bildgebung als eine neue nicht-‐ invasive Methode zur Evaluierung von Endothelschäden in HUS identifiziert werden. Des Weiteren wurde eine Beteiligung von Gr1high Monozyten und Gr1low Makrophagen sowie ein Beitrag CXCR2-‐vermitteltet Neutrophilen-‐Rekrutierung am Nierenschaden während des HUS gezeigt.
Therapeutika, welche die Rekrutierung myeloider Zellen inhibieren, könnten daher vielversprechende Therapieansätze im HUS darstellen.