Funktion und Regulation von Mastzellen bei der Immunantwort der Maus (Mus musculus; Linnaeus, 1758) auf den Darmparasiten Strongyloides ratti (Sandground, 1925)

Abstract

Ca. 1/3 der Weltbevölkerung ist mit parasitären Würmern infiziert. Dabei umfassen Infektionen mit Strongyloides spp. ca. 30-100 Millionen Menschen. Die Infektion von Mäusen mit dem rattenpathogenen Strongyloides ratti kann als Modell für eine gastrointestinale Nematodeninfektion genutzt werden. Die freilebenden infektiösen dritten Larven penetrieren die unverletzte Haut der Mäuse und wandern zum Kopf, wo sie verschluckt werden. Angekommen im Darm häuten sich die Larven über ein viertes Larvenstadium hin zu adulten Weibchen, welche eingebettet in der Darmmukosa leben. Die parasitären Weibchen vermehren sich über mitotische Parthenogenese. Eier und geschlüpfte erste Larven gelangen mit dem Fäzes des Wirtes in die freie Welt. Immunkompetente Mäuse können eine Infektion innerhalb von ca. vier Wochen im Kontext einer typischen Th2 Immunantwort beenden. Sie erwerben dabei eine Teilresistenz gegenüber einer zweiten Infektion. Die Funktion von Mastzellen während einer S. ratti Infektion wurde bisher mit mit Hilfe von mastzelldefizienten KIT-mutanten Mäusen untersucht. Diese Mäuse besitzen aufgrund der Mutation des Stammzellenwachstumsfaktor- Rezeptors (KIT), welcher nicht nur für die Entwicklung von Mastzellen wichtig ist, neben der eigentlichen Mastzelldefizienz noch weitere immunologisch relevante Defekte. Diese zusätzlichen Defekte machen es schwer, ein in diesen Mäusen beobachtetes Phänomen, nur auf die alleinige Mastzelldefizienz zurückzuführen. Durch die Nutzung der neuen KIT-unabhängigen Mausmodelle wurde in dieser Arbeit die Funktion von Mastzellen während der S. ratti Infektion neu analysiert. Des Weiteren wurden die unterschiedlichen Funktionen von zwei Arten von Mastzellen, den Bindegewebsmastzellen und den mukosalen Mastzellen, während der Infektion differenziert. Die Analyse von komplett mastzelldefizienten Cpa3Cre Mäuse und der nur bindegewebsmastzelldefizienten Mcpt5Cre Mäuse ergab, dass Mastzellen bei der Bekämpfung der wandernden Larven im Gewebe keine Rolle spielen. Die Anzahl an Larven war während der Gewebewanderung zwischen mastzellkompetenten und -defizienten Geschwistermäusen gleich. Hingegen war die Parasitenlast im Dünndarm in beiden mastzelldefizienten Mausstämmen an Tag 6 der Infektion, also zum Zeitpunkt der höchsten Parasitenlast, im Vergleich zu Wildtypwurfgeschwistern signifikant erhöht. Bei der Analyse des Verlaufs der Infektion zeigten jedoch nur Cpa3Cre Mäuse, nicht aber Mcpt5Cre Mäuse, eine stark verlängerte Infektion von ca. 160 Tagen anstatt 30 Tagen in Wildtyp Geschwistermäusen. Dies zeigt, dass insbesondere mukosale Mastzellen für die Beendigung der S. ratti Infektion wichtig sind. Die Helminthen typischen Th2 Immunantwort, die sich durch die Produktion von Interleukinen, wie IL-9, IL-13, IL-4 und IL-5 Antikörpern der Isotypen IgG1 und IgE sowie Akkumulation von Eosinophilen im Darm auszeichnet, war in Cpa3Cre und Cpa3wt Mäusen vergleichbar. Diese Immunantwort vermittelte einen effektiven Schutz gegen eine zweite Infektion. Während der Reinfektion von vakzinierten Mäusen zeigten mastzelldefiziente Cpa3Cre Mäuse und mastzelldefiziente Cpa3wt Mäuse eine gleich effektive Bekämpfung der migrierenden Larven im Gewebe. Zudem war die Parasitenlast an Tag 6 nach Reinfektion im Darm auch in Cpa3Cre Mäusen im Vergleich zu einer Erstinfektion reduziert. Die Analyse der Aktivierung von Mastzellen während der S. ratti Infektion ergab, dass Mastzellen über IL-9, welches von regulatorischen T Zellen supprimiert wird, in der frühen Phase der Infektion aktiviert werden. Jedoch zeigte die Analyse von IL-9 Rezeptor defizienten Mäusen und die Analyse von gemischten Knochenmarkchimären, in denen die IL-9 Rezeptordefizienz nur auf Mastzellen begrenzt ist, dass die IL-9 Rezeptor-vermitteltet Aktivierung nicht die einzige Möglichkeit ist Mastzellen so zu aktivieren, dass die S. ratti Infektion beendet werden kann. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Mastzellen während der S. ratti Infektion keinen Beitrag bei der Bekämpfung der wandernden Larven im Gewebe und bei der Etablierung einer schützenden zellulären und humoralen Immunantwort leisten. Jedoch sind Mastzellen wichtig für die Kontrolle der Parasitenlast im Darm und spezifisch mukosale Mastzellen sind essentielle Effektorzellen, ohne die eine Infektion nur stark verzögert beendet werden kann.

Approximately one third of the human population is infected with parasitic worms, Strongyloides spp. accounting for 30-100 million cases. Mice infected with Strongyloides ratti can be used as a model for a gastrointestinal helminth infection. The infective third-stage larvae of the nematode actively penetrate the skin of mice and migrate to the mouth, predominantly via the head but also the lung. The larvae are swallowed and reach the small intestine where they moult via a fourth-stage larvae to become parasitic, female adults. The female worms live embedded in the mucosa of the intestine and reproduce by parthenogenesis. Eggs and already hatched first-stage larvae are excreted with the feces. Immunocompetent mice efficiently terminate the infection in the context of a Th2 response that renders the mice semi-resistant to a subsequent infection. Studies using KIT-deficient mice that lack mast cells suggest that mast cells are important for expulsion of the nematode. However, as KIT is expressed in other hematopoietic and non- hematopoietic cell lineages these mice exhibit additional immunological-relevant abnormalities, making it difficult to separate the contributions of mast cells from the functions of KIT in other cell lineages. In this study the role of mast cells during an S. ratti infection was re-evaluated with recently generated KIT-independent mast cel-deficient mouse strains (Cpa3Cre and Mcpt5Cre mice). Thereby, the function of two different types of mast cells, mucosal mast cells and connective tissue mast cells, during S. ratti infection was investigated. Numbers of tissue migrating larvae were alike in mast cell-competent and mast cell-deficient littermates. All mast cell-deficient mouse strains displayed a significant increase in parasite burden in the small intestine. Thus, mast cells are dispensable for the combat of migrating larvae but are required for the control of female adults in the small intestine. Interestingly, mice that selectively lack connective tissue mast cells efficiently terminated the S. ratti infection by day 40 after infection with the same kinetics as wildtype littermates. In contrast, mice that lack both, connective tissue mast cells and mucosal mast cells, remained infected for more than 160 days. The establishment of the canonical helminth-specific Th2 immune response was comparable with regard to cytokine and antibody induction between mast cell-deficient and mast cell- competent littermates, indicating that neither mucosal nor connective tissue mast cells were required for the establishment of an adaptive immune response to S. ratti. In addition, the immune response in mast cell-deficient mice was functional since improved eradication of tissue migrating larvae was observed in immune mice also in the absence of mast cells. Analyses of the function of IL-9 in mast cell activation showed that the IL-9 production that is suppressed by regulatory T cells leads to mast cell activation and promoted the control of parasite burden during the early phase of infection. However, IL-9 receptor deficient mice and mixed bone marrow chimeras in which the IL-9 receptor deficiency was restricted to mast cells did not exhibit the drastically prolonged infection observed in mast cell deficient Cpa3Cre mice. Taken together these results indicate that mast cells do not contribute to control od tissue migrating larvae and are not required as initiators or orchestrators of adaptive immune responses during S. ratti infection. While connective tissue mast cells alone or in combination with mucosal mast cells contribute to parasite control in the early stage of intestinal infection, specifically mucosal mast cells represent central and indispensable effectors in the final eradication of S. ratti from the small intestine. Thereby, IL-9 activation of mast cells is required for control of parasite burden during the early phase of infection, but neither IL-9 receptor mediated signalling nor antibody mediated mast cell activation is essential for termination of S. ratti infection.