Die Bedeutung der Hypoxie-induzierbaren Faktoren (HIF-1 und HIF-2) für die Pathophysiologie der chronisch-entzündlichen Darmerkrankung

Über 360.000 Menschen in Deutschland leiden an chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED), die bislang nicht heilbar sind und deren Ursachen bislang nicht eindeutig geklärt worden konnten.
Entzündungen sind durch Sauerstoffmangel gekennzeichnet (inflammatorische Hypoxie), und die zelluläre Anpassung an Hypoxie wird durch die Transkriptionsfaktoren Hypoxie-induzierbaren Faktoren (HIF-1 und HIF-2) reguliert. HIF-1 scheint in unterschiedlichen Zelltypen des Darms divergierende Rollen zu übernehmen. In dendritischen Zellen (DCs), T-Zellen und Epithelzellen übernimmt HIF-1 vor allem eine protektive Rolle bei CED, jedoch ist in Makrophagen eine entzündungsfördernde Rolle zu beobachten. Über die Funktion von HIF-2 bei CED ist wenig bekannt. In Epithelzellen ist eine entzündungsfördernde Rolle von HIF-2 zu beobachten. In einem AOM / DSS Kolonkarzinom-Modell konnte für HIF-2 eine wichtige Rolle in der Rekrutierung von Immunzellen (speziell Neutrophilen) beobachtet werden. Aus diesem Grund war es von Interesse, den Einfluss von HIF-2 aber auch HIF-1 und HIF-2 in myeloiden Zellen während einer DSS-induzierten Kolitis in der Maus zu untersuchen und ihre Rolle für die Entwicklung einer CED zu klären.
Nach erfolgreicher Validierung der Knockout-Effizienz von HIF-2α in Makrophagen und Neutrophilen in LysMCre/+ Hif-2αfl/fl- und LysMCre/Cre Hif-2αfl/fl-Tieren und dem Nachweis einer erfolgreichen Knockout-Effizienz von HIF-1α und HIF-2α in LysMCre/+ Hif-1αfl/fl x Hif-2αfl/fl-Tieren erhielten diese Tiere für 6 Tage 2,5% Dextrannatriumsulfat (DSS), um eine Kolitis zu induzieren. Als Kontrolltiere galten Tiere mit funktionellem HIF-1α und HIF-2α. Hier zeigten die Tiere, die nur für HIF-2α defizient waren, ein ausgeprägtes Krankheitsbild der DSS-induzierten Kolitis mit erhöhtem Gewichtsverlust, Disease Activity Index (DAI) und eine stärkere Kolon-Gewebeschädigung, die mit einer erhöhten Anzahl an Neutrophilen, T-Zellen und pro-inflammatorischer Zytokinen wie IL6, IL17A und IFNγ einherging.
Die erhöhte Neutrophilen-Rekrutierung lässt vermuten, dass der HIF-2α Knockout in Makrophagen zu einer stärkeren Cxcl1- und Il6-Expression führt, die die Neutrophilen-Rekrutierung begünstigt. Zusätzlich verhindert die Il6-Expression die Apoptose von T-Zellen, wodurch das Voranschreiten der Kolitis begünstigt wird. Außerdem beeinflusst der HIF-2α Knockout eine erhöhte Ccl3-Expression in Neutrophilen, die ebenfalls zu einer höheren Neutrophilen-Rekrutierung führt und entzündungsfördernd wirkt. Allerdings war eine erhöhte Expression anti-inflammatorischer Zytokine, Il10 und Tgfb1 detektierbar, die sich nur durch die Gegenregulation des Immunsystems und als kompensatorischer Schutzmechanismus des Organismus erklären lässt. Schlussendlich wurden jedoch viele pro-inflammatorische
Zytokine, unter anderem IL6, verstärkt exprimiert, die eine verstärkte pro-inflammatorische Antwort fördern und regulatorische Antworten unterdrücken.
Des Weiteren wiesen Tiere, die sowohl für HIF-1α als auch für HIF-2α defizient waren, keine Unterschiede im DAI hinsichtlich der Kolon-Gewebeschädigung und Anzahl von Immunzellen und Zytokinen im Vergleich zu Tieren mit funktionellem HIF auf. Dies lässt sich nur durch eine gegensätzliche Regulation von Zielgenen wie Cxcl1 durch die beiden HIF-Isoformen erklären. Diese gegensätzliche Regulation verhindert eine höhere Neutrophilen-Rekrutierung und eine stärkere Entzündung.
Somit erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bereits vorliegende Daten zu HIF-2α und der Kombination von HIF-1α und HIF-2α in myeloiden Zellen während einer akuten Kolitis.
Während HIF-2α in Epithelzellen eine krankheitsfördernde Rolle spielt, deuten die Daten dieser Arbeit auf einen protektiven Effekt von HIF-2α in myeloiden Zellen hin. Wider Erwarten weist unser HIF-α-Doppel-Knockout weder auf eine krankheitsfördernde noch auf eine protektive Wirkung, sondern auf eine gegensätzliche Regulation durch beide Isoformen in myeloiden Zellen während der DSS-induzierten Kolitis hin.

More than 360,000 people in Germany suffer from chronic inflammatory bowel diseases (IBD). Until now it is not possible to clarify the causes of its onset and furthermore to find a cure.
Inflammation is characterized by oxygen deficiency (inflammatory hypoxia) and cellular adaptation to hypoxia can be regulated by hypoxia-inducible factors (HIF-1 and HIF-2). HIF-1 appears to play divergent roles in different cell types of the intestine. In dendritic cells (DCs), T cells and epithelial cells, HIF-1 mainly plays a protective role in IBD. However, in macrophages HIF-1 plays an inflammatory role in IBD. The function of HIF-2 in IBD remains elusive. It is assumed that HIF-2 acts in the inflammatory process in epithelial cells. Moreover, HIF-2 seem to play a role in the recruitment of immune cells (especially neutrophils) in an AOM / DSS tumor colon model. To clarify the role of hypoxia-inducible factors in the development of IBD more in depth, it was of interest to investigate the influence of HIF-2 but also HIF-1 and HIF-2 in murine myeloid cells during DSS-induced colitis.
We successfully validated the knockout efficiency of HIF-2α in macrophages and neutrophils in LysMCre/+ Hif-2αfl/fl- and LysMCre/Cre Hif-2αfl/fl-animals and demonstrated a knockout efficiency of HIF-1α and HIF-2α in LysMCre/+ Hif-1αfl/fl x Hif-2αfl/fl-animals. Animals were treated with 2.5 % dextrane-sodium-sulfate (DSS) to induce colitis for six days. As controls, mice with functional HIF-1α and HIF-2α, were used. Results showed that animals which were deficient for HIF-2α showed pronounced symptoms of DSS-induced colitis with increased weight loss, disease activity index (DAI), and more severe colonic tissue damage associated with an increased number of neutrophils and pro-inflammatory cytokines such as IL6, IL17A and IFNγ.
The increased number of neutrophils suggests that HIF-2α knockout in macrophages leads to a stronger Cxcl1 and Il6 expression, which in turn promote higher neutrophil recruitment. In addition, Il6 expression prevents apoptosis of T-cells, which promotes the progression of colitis. Furthermore, the HIF-2α knockout has an impact on Ccl3 expression in neutrophils, which also leads to a higher neutrophil recruitment and promotes inflammation. Consequently, an increased expression of the anti-inflammatory cytokines Il10 and Tgfb1 lead to compensatory protective mechanisms. Nonetheless, many pro-inflammatory cytokines promote an enhanced pro-inflammatory response and suppress regulatory responses.
Animals that were deficient for both, HIF-1α and HIF-2α, showed no differences in DAI, colonic tissue damage and numbers of immune cells and cytokines compared to animals with functional HIFs. This can only be explained by a counter regulation of target genes, such as
CXCL1, by both isoforms, which prevents higher neutrophil recruitment and therefore higher inflammation.
Thus, the results of the present work extend already existing data on HIF-2α and the combination of HIF-1α and HIF-2α in myeloid cells during colitis.
While HIF-2α plays a disease-promoting role in epithelial cells, the data of this work indicate a protective effect of HIF-2α in myeloid cells. Contrary to our expectations, HIF-α double knockout does neither demonstrate a disease-promoting nor a protective effect. Instead, these results suggest an antagonistic regulation of both isoforms in myeloid cells during DSS-induced colitis.

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Kerber, E.L., 2020. Die Bedeutung der Hypoxie-induzierbaren Faktoren (HIF-1 und HIF-2) für die Pathophysiologie der chronisch-entzündlichen Darmerkrankung. https://doi.org/10.17185/duepublico/73474
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