Time-Dependent and Microbiota-Dependent Effects of Interleukin-22 in a Colitis Mouse Model

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) affects circa half a percent of the Western world population. IBD is characterized by recurring flares of abdominal and, in some cases, systemic symptoms. While the causes for IBD remain unknown, different cytokines have been assigned a central role for IBD pathogenesis. Interestingly, during intestinal inflammation, cytokine effects appear to differ among individuals. For example, IL-22 protects from IBD and murine colitis in most settings but not all. In the presence of certain microbiotas, e.g., Mb2, IL-22 is protective, while in others, e.g., in Mb1, it has no effect on colitis. We hypothesized that IL-22 ameliorates colitis in mice by correcting a colitogenic microbiota. Consequently, we expected IL-22 to fail to alleviate colitis in mouse models with an a priori less colitogenic microbiota. To test our hypothesis, we used mice with defined and distinct microbiotas (fecal microbiota transplant of Mb1 and Mb2, respectively) and a murine colitis model (CD45RBhi T cell transfer). For neutralizing IL-22, we intraperitoneally injected a monoclonal anti-IL-22 antibody. 16S rRNA sequencing revealed structural differences among Mb1 and Mb2 microbiotas. Some taxa were exclusively present in Mb2 microbiota, e.g., the notoriously colitogenic Prevotella spp. and H. typhlonius. Mb2 microbiota rendered mice more susceptible to T cell transfer colitis. Unexpectedly, short-term blockade of IL-22 after CD45RBhi T cell transfer into Rag1-/- did not affect colitis severity. This was independent of the microbiota (Mb1 or Mb2). In comparison to short-term blockade, IL-22 long-term neutralization aggravated colitis in Mb2. Long-term neutralization was initiated at the time of fecal microbiota transplant, and it was continued throughout the engraftment and the later colitis phase. These findings indicate that IL-22 that is released from innate immune cells during the engraftment affects the mucosal homeostasis, i.e., the microbiota, which in turn protects from later episodes of colitis. In accordance with our hypothesis, metagenomic analysis unveiled differential engraftment of Mb2 microbiota depending on IL-22 presence or absence. We show alterations in the microbiota of IL-22 neutralized mice, which might be indicative of a higher colitogenic potential. However, in order to fully establish this causal link, further gnotobiotic experiments are necessary. Taken together, we provide evidence that in an IBD model system IL-22 confines a colitogenic microbiota and that the protective effect of IL-22 on colitis is at least partly via this modulation of the microbiota.

Etwa ein halbes Prozent der westlichen Weltbevölkerung leidet an einer chronisch-entzündlichen Darmerkrankung (CED). Gekennzeichnet sind CED durch wiederkehrende abdominelle Beschwerden, etwa Diarrhöen und Bauchkrämpfe, und teils durch systemische Symptome, zum Beispiel Fatigue oder Gewichtsverlust. Während die Ursachen für CED unbekannt sind, wird Zytokinen des Immunsystems eine zentrale Rolle für die Pathogenese zugeschrieben. Interessanterweise gibt es Hinweise, dass sich die Wirkungen einzelner Zytokine während einer Darmentzündung je nach Situation unterscheiden. Beispielsweise schützt Interleukin (IL)-22 in Gegenwart bestimmter Mikrobiome, zum Beispiel Mb2, vor muriner Kolitis, während es zum Beispiel in Mb1 keine Wirkung auf den Verlauf der Kolitis hat. Wir stellten die Hypothese auf, dass IL-22 murine Kolitis abmildert, indem es kolitogene Mikrobiome korrigiert. Folglich erwarteten wir, dass IL-22 die Kolitis in Mäusen mit einem a priori nicht kolitogenen Mikrobiom nicht lindern würde. Um unsere Hypothese zu prüfen, untersuchten wir Mäuse mit definierten Mikrobiomen (durch Stuhltransplantation von Mb1 bzw. von Mb2) in einem Kolitismodell (CD45RBhi T-Zell Transferkolitis). Um IL-22 zu neutralisieren, injizierten wir einen monoklonalen anti-IL-22-Antikörper intraperitoneal. Eine 16S-rRNA-Sequenzierung zeigte strukturelle Unterschiede zwischen Mb1 und Mb2 auf. Einige taxa waren ausschließlich im Mb2 Mikrobiom vorhanden, wie etwa die als kolitogen bekannten genera Prevotella spp. und H. typhlonius. Dazu passend waren Mäuse mit dem Mb2 Mikrobiom anfälliger für T-Zell Transferkolitis als solche mit Mb1. Anders als erwartet hatte die kurzfristige Blockade von IL-22 nach CD45RBhi T-Zell Transfer in Rag1-/- Mäusen keinen Einfluss auf die Schwere der Kolitis. Dies war unabhängig vom Mikrobiom (Mb1 oder Mb2). Im Vergleich zur kurzzeitigen Blockade führte eine längerfristige IL-22 Neutralisation zu einem schwereren Verlauf der Kolitis in Mb2. Diese längerfristige IL-22 Neutralisation wurde zum Zeitpunkt der Stuhltransplantation eingeleitet und sowohl in den nachfolgenden Wochen (Einwachsen des Transplantates) als auch in der späteren Kolitisphase fortgesetzt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass IL-22 während der Zeit des Einwachsens des Stuhltransplantates durch Zellen des angeborenen Immunsystems freigesetzt wird und die Schleimhauthomöostase, insbesondere das Mikrobiom, beeinflusst und dadurch vor späteren Kolitis-Episoden schützt. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese enthüllte eine metagenomische Sequenzierung ein unterschiedliches Einwachsen des Mb2 Mikrobioms in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder Abwesenheit von IL-22. Unsere Analysen zeigten Veränderungen im Mikrobiom von IL-22 neutralisierten Mäusen, die auf ein höheres kolitogenes Potenzial hinweisen könnten. Um diesen kausalen Zusammenhang vollständig nachzuweisen, wären jedoch weitere, gnotobiotische, Experimente notwendig. Zusammenfassend liefern wir Beweise dafür, dass IL-22 in einem Modellsystem für CED ein kolitogenes Mikrobiom abmildert und, dass die Schutzwirkung von IL-22 weitgehend über diese Modulation des Mikrobioms erfolgt.