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.

 

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Pohl, J.-M., 2020. Analysis and manipulation of cell-mediated immune responses in shiga toxin-induced kidney injury. https://doi.org/10.17185/duepublico/44541
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