The effect of the acid sphingomyelinase/ceramidase system on bacterial induced colitis

Meiners, Jana GND

Sphingolipids are complex structures, which are shown to be involved in the maintenance of the intestinal integrity. Increasing evidence implicates a function of sphingolipids in intestinal diseases such as inflammatory bowel disease (IBD). Interestingly, the activation of various phospholipases and sphingomyelinases were shown to be altered through inflammatory cytokine secretion. However, little is known about the role of sphingolipids, such as ceramide, and sphingomyelin in the context of bacterial induced inflammation. In the present study, we determined the function of the acid sphingomyelinase (Asm) and acid ceramidase (Ac) during the bacterial induced colitis using the Citrobacter (C.) rodentium infection model. C. rodentium is a natural mouse gram-negative mucosal pathogen that induces colonic inflammation. Importantly, sphingomyelin and ceramide concentrations were significantly decreased in the colon of C. rodentium infected mice. However, treatment with amitriptyline to inhibit Asm and Ac activity during infection as well as infection of Asm KO or Ac cKO mice led to an increase in sphingomyelin and ceramide in the colon within 6 to 10 days post infection. This increase was accompanied by an enhanced histopathological score. Interestingly, Asm KO, as well as Ac cKO mice showed enhanced bacterial translocation of the normally non-invasive C. rodentium into the liver and the spleen compared to infected wildtype mice. Flow cytometry analysis revealed that neither the frequencies of macrophages, as part of the first line of defence from the innate immune system, nor the MHCII expression by macrophages were impaired in wildtype compared to amitriptyline treated mice. Furthermore, uptake capability of macrophages generated from bone marrow of ASM KO or Ac cKO, as well as killing activity was not dysregulated compared to BMDMs isolated from wildtype littermates. Intriguingly, increased cell infiltration of adaptive immune cells, such as Th1 and Th17, into lamina propria (LP) was detected during C. rodentium infection in mice lacking Asm and Ac activity due to amitriptyline treatment compared to wildtype littermates. In contrast, frequencies of Tregs were reduced in colonic tissue at the peak of infection in amitriptyline treated mice compared to wildtype littermates. However, the differentiation capacity of Th1 and Th17 cells in vitro was not altered after loss of Asm. In summary, loss of Asm and Ac leads to a dysregulated immune response during C. rodentium infection. Reduced frequencies of colonic Tregs in Asm/Ac inhibited mice allowed the uncontrolled expansion of Th1 and Th17 cells, thereby inducing severe pathology in the colon. We showed for the first time that Asm and Ac possess a protective function during bacterial induced colitis. Intriguingly, Asm and Ac shape the adaptive immune response to effectively fight invading C. rodentium and protect the mice against severe intestinal pathology.

Sphingolipide besitzen auf Grund ihrer diversen und grundlegenden Funktion in Membranen ein großes wissenschaftliches Potential. In unterschiedlichen Studien wurde bereits der Einfluss von Sphingolipiden auf die intestinale Homöostase und auf Entzündungsprozesse im Gastrointestinaltrakt beschrieben. Bisher ist jedoch wenig über die Funktion der sauren Sphingomyelinase (eng. Acid sphingomyelinase, Asm) und der sauren Ceramidase (eng. Acid ceramidase, Ac) während einer bakteriell induzierten Kolitis bekannt. In dieser Arbeit wurden daher erstmals die Funktionen der sauren Sphingomyelinase und sauren Ceramidase während der Citrobacter (C) rodentium induzierten Kolitis untersucht. C. rodentium ist ein gram-negatives Bakterium, welches ähnliche Entzündungsreaktionen hervorruft, die auch in Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen beobachtet werden. Im Verlaufe einer 10-tägigen Infektion mit C. rodentium von Wildtyp-Mäusen zeigte sich eine signifikante Abnahme der Sphingomyelin und Ceramide Konzentrationen im Kolon. Im Gegensatz dazu führte die Infektion von Asm KO und auch Ac cKO Mäusen zu einem Anstieg der Sphingomyelin und Ceramide Konzentrationen. Interessanterweise, zeigten C. rodentium infizierte Asm KO und Ac cKo Mäuse insgesamt einen verschlechterten Habitus und erhöhte Entzündungsparameter im Kolon im Vergleich zu infizierten Wildtyp-Mäuse. Besonders auffällig war die erhöhte systemische Ausbreitung des normalerweise nicht-invasiven Bakteriums in die Leber und Milz von Asm KO und Ac cKO Tieren. Intestinale Makrophagen stellen die erste immunologische Verteidigungslinie gegen pathogene Erreger des Darms dar. Interessanterweise führte die Inhibition von Asm und Ac in Mäusen weder zu einer unterschiedlichen Frequenz von Makrophagen, noch zur Veränderungen in der Phagozytose-Aktivität. Ebenfalls konnten keine Unterschiede in der Effektivität bei der Abtötung von phagozytierten Bakterien festgestellt werden. Die vollständige Eliminierung der C. rodentium Infektion benötigt eine effiziente adaptive Immunantwort. Dabei spielen vor allem Th1 und Th17 Zellen in der Lamina Propria (LP) eine entscheidende Rolle. Interessanterweise, führte die Inhibition von Asm/Ac mittels Amitriptylin zu einer signifikant erhöhten Infiltration der LP mit Th1 und Th17 Zellen. Im Gegensatz dazu war die Frequenz an regulatorischen T-Zellen (Tregs) in diesen Tieren im Vergleich zu infizierten Wildtyp-Tieren reduziert. Dieses Ungleichgewicht zwischen Effektorzellen und Tregs während der C. rodentium Infektion bei Asm/Ac Inhibition ist vermutlich die Ursache für die unkontrollierte Darmpatholgie. Zusammengefasst konnte erstmals eine protektive Funktion von Asm und Ac in der bakteriell-induzierten Kolitis gezeigt werden. Der maßgebliche Einfluss dieser Enzyme auf die erworbene Immunantwort ist essentiell für eine erfolgreiche Eliminierung von C. rodentium.

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Meiners, Jana: The effect of the acid sphingomyelinase/ceramidase system on bacterial induced colitis. 2019.

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