title: Innate mechanisms in type 2 immunity-mediated lung inflammation
title: Angeborene Mechanismen bei der Typ 2 Immunität-vermittelten Entzündung der Lunge
Creators: name: Ruhl, Andreas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Type 2 immunity is a branch of the immune system mainly directed against either parasites or allergens. Both agents can cause diseases that affect many people worldwide and have a significant impact on their quality of life. While the pathways of disease induction are different, the underlying type 2 immune response is quite similar between allergies and worm infections. This inflammation is characterized by an activated epithelium with mucus secretion, as well as recruitment and activation of immune cells, such as T helper type 2 (Th2) cells, eosinophils, innate lymphoid type 2 cells (ILC2s) and alternatively activated macrophages (AAMs). Some of these cells are able to secrete the key type 2 cytokines interleukin (IL)-4 and IL-13, which in turn activate the signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) in various cell types as crucial transcription factor for type 2 immunity. In this context, the direct role of STAT6 signalling in airway epithelial cells is only partially resolved. We therefore generated CCSP-Cre_STAT6vt mice, where only bronchiolar lung club cells express a constitutively active form of STAT6. This modification facilitates the upregulation of Resistin-like molecules (Relms) and Chil4 in lung organoid cultures, whereas in mice, apart from an increase in Relm-α expression, also spontaneous mucus production in the bronchioles was observed. The alterations in the bronchiolar epithelium did neither influence the infection with the migrating helminth Nippostrongylus brasiliensis (Nb), nor allergic airway inflammation (AAI) induced by the common fungal mould Aspergillus fumigatus (Af). Influenza A virus (IAV) infection also led to a similar outcome, as the recovery was comparable between the different mouse strains. In order to be able to transfer such observations to the human situation, human lung organoids (HLOs) as model for the bronchiolar epithelium were established. Lung tissue was obtained from two donors, one undergoing surgery for lung cancer and the other healthy. Upon stimulation with IL-13, these HLOs upregulated typical markers, such as eotaxins and periostin, but no mucus genes. Therefore, HLOs represent a complex and useful tool to investigate type 2 immunity-regulated mechanisms of the epithelium in vitro. Macrophages are an abundant cell population in the lung with important roles during type 2 inflammation. The population dynamics of these cells were therefore analysed and, surprisingly, we found that alveolar macrophages (alvMs), which are important gatekeepers of the lung, disappeared in several type 2 immunity-associated models. This effect during Af-induced AAI was strongly dependent on IL-4 and alvM-intrinsic STAT6 signalling. Another macrophage subpopulation, Relm-α-expressing AAMs, increased over the course of type 2 inflammation in the lung, with even higher numbers during resolution of inflammation. In addition, multinucleated giant cells (MGCs) appeared in histological sections following Af-induced AAI. These are likely formed, at least in part, by the disappearing alvMs, as they express typical markers for this myeloid cell population. In general, this thesis contributes to a better understanding of the innate immune response during AAI and parasitic infections by providing new information on the effect of STAT6 in bronchiolar epithelial cells as well as novel insights into subpopulations of macrophages during type 2 immunity in the lung.
description: Die Typ 2 Immunantwort ist ein Teilbereich des Immunsystems, welcher hauptsächlich entweder gegen Parasiten oder Allergene gerichtet ist. Beide können Krankheiten auslösen, die viele Menschen weltweit betreffen und einen großen Einfluss auf ihre Lebensqualität haben. Während die Wege der Krankheitsentstehung unterschiedlich sind, ist die zugrundeliegende Typ 2 Immunantwort relativ ähnlich zwischen Allergien und Wurminfektionen. Diese Entzündungsreaktion ist gekennzeichnet durch ein aktiviertes Epithel, welches Schleim sekretiert, sowie die Rekrutierung und Aktivierung von Immunzellen, wie Typ 2 T-Helfer (Th2) Zellen, eosinophilen Granulozyten, Typ 2 angeborenen lymphoiden Zellen (ILC2) und alternativ aktivierten Makrophagen (AAMs). Einige dieser Zellen sind in der Lage, die Haupt-Typ 2 Zytokine Interleukin (IL)-4 und IL-13 zu sekretieren, welche wiederum den signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) aktivieren, der in verschiedenen Zelltypen ein entscheidender Transkriptionsfaktor für die Typ 2 Immunantwort ist. In diesem Zusammenhang ist die Rolle des STAT6-Signalweges in den Epithelzellen der Atemwege nur teilweise geklärt. Zu diesem Zweck haben wir CCSP-Cre_STAT6vt Mäuse generiert, bei denen nur bronchioläre Keulenzellen eine konstitutiv aktive Form von STAT6 exprimieren. Diese Modifikation fördert die Expression von Resistin-ähnlichen Molekülen (Relms) und Chil4 in Lungenorganoidkulturen, während in Mäusen, abgesehen von einer Erhöhung der Relm-α Expression, auch eine spontane Schleimproduktion in den Bronchiolen beobachtet wurde. Die Veränderungen im Bronchialepithel haben dabei weder eine Infektion mit dem migrierenden Helminthen Nippostrongylus brasiliensis (Nb), noch eine durch den gewöhnlichen Schimmelpilz Aspergillus fumigatus (Af) induzierte allergische Atemwegsentzündung (AAI) beeinflusst. Eine Influenza A Virusinfektion (IAV) führte auch zu einem ähnlichen Ergebnis, da die Genesung vergleichbar zwischen den verschiedenen Mausstämmen war. Um solche Beobachtungen auch auf die humane Situation transferieren zu können, wurden humane Lungenorganoide (HLOs) als Modell für das Bronchialepithel etabliert. Das Lungengewebe stammte von zwei Spendern, von denen einer wegen Lungenkrebs operiert wurde und der andere gesund war. Nach Stimulation mit IL-13 haben diese HLOs die Expression typischer Markergene hochreguliert, wie Eotaxine oder auch Periostin, nicht aber Gene für Muzine. Dementsprechend repräsentieren HLOs ein komplexes und nützliches Werkzeug, um Typ 2 Immunantwort-regulierte Mechanismen des Epithels in vitro zu untersuchen. Makrophagen sind eine zahlreich vorkommende Zellpopulation in der Lunge mit wichtigen Funktionen während einer Typ 2 Entzündungsreaktion. Die Populationsdynamik dieser Zellen wurde deshalb analysiert und überraschenderweise stellten wir fest, dass Alveolarmakrophagen (alvMs), die wichtige Wächter der Lunge sind, in mehreren Typ 2 Immunantwort-assoziierten Modellen verschwinden. Dieser Effekt während Af-induzierter AAI war dabei stark abhängig von IL-4 und dem intrinsischen STAT6-Signalweg in alvMs. Eine weitere Subpopulation von Makrophagen, die Relm-α-produzierenden AAMs, nahmen im Verlauf der Typ 2 Entzündung in der Lunge zu, wobei eine noch höhere Anzahl während der Auflösung der Entzündungsreaktion festgestellt wurde. Außerdem waren multinukleäre Riesenzellen (MGCs) in histologischen Schnitten nach Af-induzierter AAI vorzufinden. Diese bilden sich wahrscheinlich zumindest teilweise aus den verschwindenden alvMs, da sie typische Marker für diese myeloide Zellpopulation exprimieren. Insgesamt trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der angeborenen Immunantwort bei AAI und Parasiteninfektionen bei, indem neue Informationen über den Effekt von STAT6 in bronchiolären Epithelzellen sowie Einblicke in Subpopulationen von Makrophagen während der Typ 2 Immunantwort in der Lunge gegeben werden.