The role of interferon-gamma (IFNγ) in the immune pathogenesis of primary sclerosing cholangitis

Abstract

Primary sclerosing cholangitis (PSC) is an idiopathic, cholestatic chronic liver disease characterized by biliary inflammation and periductal “onion skin”-type fibrosis. Due to a lack of understanding of the pathophysiology treatment options are limited. According to studies in PSC patients, increased accumulation of T cells, in particular Th1 cells, around bile ducts and elevated levels of IFNγ-induced chemokines in the sera were found, indicating an involvement of IFNγ in disease development and progression. The aim of this thesis was to investigate the role of IFNγ in the immune pathogenesis of PSC. The experiments were conducted in multi-drug resistance protein 2 knockout (Mdr2-/-) mice, which is an established mouse model resembling human PSC. First of all, we could show CD8+ T cells and NK cells as the main producers of IFNγ in the Mdr2-/- mouse strain. Depletion of CD90.2+ cells, which are mainly T cells, reduced liver inflammation, the production of pro-inflammatory cytokines and NK cell cytotoxicity. However, fibrosis was not affected by T cell depletion. Similar results were obtained from Mdr2-/- x Rag1-/- mice. Analysis of liver samples from PSC and control patients depicted elevated numbers of TRAIL+ CD56bright NK cells in PSC patients but no differences in the percentage of T lymphocytes. Depletion of NK cells in Mdr2-/- mice decreased CD8+ T cell cytotoxicity and IFNγ production and reduced liver fibrosis, while liver injury was not altered. Complete absence of IFNγ in the Mdr2-/- x IFNg-/- mice reduced the frequencies of CD8+ T cells and NK cells expressing the cytotoxic markers granzyme B and TRAIL. In addition, Mdr2-/- x IFNg-/- mice displayed elevated frequencies of restorative CX3CR1+ macrophages, while Mdr2-/- mice predominantly harbored pro-inflammatory CCR2+CX3CR1+/- macrophages. Furthermore, ablation of IFNγ led to absence of hepatocellular death in comparison to Mdr2-/- mice and reduced fibrosis. In a therapeutic approach, the efficiency of anti-IFNγ Ab treatment in chronic liver disorder was also analyzed. Even the application of anti-IFNγ Ab for a short period resulted in reduced fibrosis in Mdr2-/- mice. In summary, we could present in our work the pro-fibrotic properties of IFNγ in PSC. IFNγ changed the phenotype of hepatic CD8+ T cells and NK cells towards increased cytotoxicity and promoted induction of cell death and infiltration of inflammatory macrophages into the inflamed tissue. Therefore, targeting IFNγ in PSC patients might be considered as a therapeutic option.

Die primär sklerosierende Cholangitis (PSC) ist eine chronisch verlaufende Entzündung der intra- und extrahepatischen Gallengänge, die zur Cholestase und anschließender Zirrhose führt. Bislang sind die Mechanismen, die der Pathogenese zugrunde liegen, unbekannt, was die therapeutischen Optionen einschränkt. Studien zufolge konnte bei PSC Patienten eine erhöhte Anzahl an T-Zellen, insbesondere Th1 Zellen, in der Nähe der Gallengänge gefunden werden, wie auch erhöhte Mengen an IFNγ-induzierten Chemokine in den Seren. Diese Daten weisen auf eine mögliche Beteiligung der Th1 Zellen und IFNγ an der Entwicklung der Krankheit hin. Ziel der Arbeit ist es, die Rolle von IFNγ in der Immunpathogenese von PSC zu untersuchen. Hierfür werden multidrug resistance protein 2 knockout (Mdr2-/-) Mäuse verwendet, da sie zusätzlich zu einer chronischen Leberentzündung die für PSC typischen zwiebelschalenartigen Veränderungen der Gallengänge aufweisen. Zunächst einmal konnte in den Mdr2-/- Mäusen die CD8+ T Zellen und NK-Zellen als die Hauptproduzenten von IFNγ gezeigt werden. Anschließende Depletion der CD90.2+ Zellen, die überwiegend T-Zellen sind, führte zu einer reduzierten Leberentzündung, verminderten Produktion von pro-inflammatorischen Zytokinen und reduzierten NK Zell-Zytotoxizität. Die Behandlung hatte keine Auswirkung auf die Fibrose. Ähnliche Ergebnisse konnten mit den Mdr2-/- x Rag1-/- Mäusen generiert werden. Die Analysen der Leberproben von PSC- und Kontroll-Patienten zeigten jedoch in Hinblick auf T-Lymphozyten Population keine Unterschiede, aber eine Zunahme von TRAIL+ CD56bright NK Zellen bei PSC Patienten. Nachfolgende Depletion der NK Zellen in den Mdr2-/- Mäusen führte wiederum zu verringerter CD8+ T Zell-Zytotoxizität und IFNγ Produktion und verbesserter Fibrose. In den Mdr2-/- x IFNg-/- Mäusen dagegen bedingte die Abwesenheit von IFNγ die Herabregulation der zytotoxischen Marker Granzym B und TRAIL in CD8+ T Zellen und NK Zellen. Außerdem konnte in diesen Mäusen eine erhöhte Frequenz an CX3CR1+ restorativen Makrophagen beobachtet werden, wohingegen in Mdr2-/- Mäusen pro-inflammatorische CCR2+ CX3CR1+/- Makrophagen überwiegten. Zudem führt das Fehlen von IFNγ zu stark verringertem Zelltod von Hepatozyten und reduzierter Fibrose. Zuletzt wurde die therapeutische Anwendung von anti-IFNγ Antikörpern bei der chronischen Leberentzündung untersucht. Die Neutralisation von IFNγ führte zu einer verringerten Fibrose wie bei den Mdr2-/- x IFNg-/- Mäusen. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit die pro-fibrotische Wirkung von IFNγ im chronischen Modell der Leberentzündung gezeigt werden. IFNγ erhöht nicht nur die zytotoxische Kapazität von CD8+ T Zellen und NK Zellen, sondern ist auch an der Induktion von Apoptose in Hepatozyten und Rekrutierung von pro-inflammatorischen Makrophagen in das Gewebe beteiligt. Daher könnte die Neutralisierung von IFNγ eine mögliche Therapieoption darstellen.