Renal macrophages promote Shiga toxin-induced Hemolytic Uremic Syndrome through TNFa and CXCR2- dependent neutrophil recruitment

Enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) is a major cause for worldwide epidemics linked to significant organ damage and high mortality. One of the EHEC-associated diseases is hemolytic uremic syndrome (HUS); a rare but devastating disease characterized by microangiopathic hemolytic anemia, thrombocytopenia and acute kidney injury. While the main cause of HUS is due to ingestion of the Shiga toxin-producing E. coli (STEC), an effective therapeutic intervention is yet to be determined. Several studies have identified neutrophil recruitment to be crucial in both the promotion of STEC-HUS severity and mediation of endothelial injury. Nevertheless, the mechanisms leading to this leukocyte activation and recruitment remain elusive. Additionally, the role of macrophages in STEC-HUS is not fully understood, even though they are the predominant leukocyte population in the healthy kidney.

In our study, we elucidated the role of resident kidney macrophages in a preclinical STEC-HUS model and showed a phenotypic and functional macrophage change after disease induction, which promoted neutrophil recruitment. Macrophages produced the inflammatory cytokine tumor necrosis factor a (TNFa) and inhibition of this molecule significantly reduced kidney injury. Furthermore, direct targeting of macrophages via their depletion by the colony-stimulating factor receptor 1 (CSF1R) reduced local TNFa levels and significantly decreased disease severity. In detail, macrophage depletion did not only diminish endothelial damage and thrombocytopenia, but additionally activation of thrombocytes and neutrophils. By microscopy, we showed that recruited
neutrophils mainly infiltrated the renal cortex in response to STEC-HUS. Macrophage depletion significantly reduced renal neutrophil infiltration and renal levels of neutrophil-attracting C-X-C motif chemokine 1 and 2 (CXCL1 and CXCL2). Intravital microscopy validated that inhibition of CXCR2, the receptor of CXCL1 and CXCL2, significantly attenuates cortical neutrophil recruitment. In addition, CXCR2 inhibition reduced kidney injury thereby emphasizing the role of renal neutrophil recruitment for STEC-HUS severity.
In conclusion, our study demonstrates the pathological role of macrophages in
STEC-HUS upon activation and subsequent production of proinflammatory cytokines, which lead to the CXCR2-dependent recruitment of neutrophils contributing to kidney injury. In addition, this study identifies inhibition of TNFa, CXCR2 or direct targeting of macrophages via CSF1R as promising therapeutic approaches to inhibit macrophage-dependent inflammation and kidney injury.

Enterohämorrhagische E. coli Bakterien verursachen weltweit schwere Epidemien, in denen die Betroffenen schwere Organschädigungen erleiden, die zum Tode führen können. Eine seltene, aber schwere Erkrankungen ist das Hämolytisch-Urämische Syndrom (HUS). Als typische HUS-Symptome gelten mikroangiopatische hämolytische Anämie, Thrombozytopenie und akute Nierenschäden. HUS wird hauptsächlich durch die Aufnahme von Shiga toxin-produzierenden E. coli (STEC) verursacht und ist aktuell nicht zu therapieren.


Es wurde bereits erforscht, dass neutrophile Granulozyten (kurz: Neutrophile)
STEC-HUS begünstigen und Endothelschäden vermitteln. Dennoch ist der genaue Mechanismus, der zur Aktivierung der Neutrophilen und ihrer Rekrutierung führt nicht erforscht. Des Weiteren ist die Rolle von Makrophagen in STEC-HUS nicht vollständig geklärt, obwohl sie die häufigsten Leukozyten in der gesunden Niere sind. In dieser Studie wurde ein präklinisches STEC-HUS Model verwendet um die Rolle der residenten Nierenmakrophagen und den Mechanismus der Neutrophilenwanderung zu erforschen. Es konnten gezeigt werden, dass diese Zellen sich nach Krankheitsinduktion funktionell und phänotypisch verändern. Makrophagen produzierten das inflammatorische Zytokin Tumor Nekrose Faktor a (TNFa), dessen
Inhibition den Nierenschaden signifikant reduzierte. Ebenfalls verbesserte die direkte Depletion der Makrophagen über den Kolonie-stimulierenden Faktor 1 Rezeptor (CSF1R) den Nierenschaden und senkte die lokalen TNFa-Level. Die MakrophagenDepletion verminderte nicht nur die Endothelschäden und die krankheitstypische Thrombozytopenie, sondern reduzierte ebenfalls die Aktivierung der Thrombozyten und Neutrophilen. Mikroskopisch konnte gezeigt werden, dass die Neutrophilen in STEC-HUS-erkrankten Mäusen hauptsächlich den Nierenkortex infiltrierten. Diese Infiltrate, wie auch die lokale CXCL1- und CXCL2-Expression, wurden durch die Depletion der Makrophagen signifikant reduziert. Außerdem konnte mittels intravitaler
Mikroskopie validiert werden, dass die Inhibition von CXCR2, dem Rezeptor für CXCL1 und CXCL2, die Rekrutierung der Neutrophilen in den Nierenkortex signifikant verminderte. Zusätzlich reduzierte die pharmakologische CXCR2-Inhibition den Nierenschaden und betont somit die Rolle der rekrutierten Neutrophilen zusätzlich für die Entwicklung des STEC-HUS.


Zusammenfassend belegt diese Studie eine zentrale Rolle der Makrophagen in STEC-HUS, da ihre Aktivierung einhergehend mit einer Zytokinproduktion Neutrophile via CXCR2 rekrutiert und so die Niere schädigt. Außerdem wurde die Inhibition von TNFa, CXCR2 sowie Makrophagen als mögliche Therapiestrategien identifiziert um die Makrophagen-vermittelte Entzündung und den einhergehenden Nierenschaden in STEC-HUS zu vermindern.
 

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