Interaction of immune-modulating substances with intestinal epithelial cells

Der Darm ist eines der wichtigsten menschlichen Organe. Seine Hauptaufgabe, welche durch die semipermeable Darmwand reguliert wird, ist die ausreichende Aufnahme von Nährstoffen, Elektrolyten und Wasser. In Menschen mit einer Lebensmittelallergie ist die Darmwand durchlässiger und erlaubt die verstärkte Aufnahme von Allergenen. Dies resultiert in der Produktion von IgE produzierenden B-Zellen sowie der Rekrutierung von anderen Effektorzellen wie Mastzellen. Diese produzieren nach ihrer Aktivierung große Mengen an Botenstoffen, welche die allergischen Reaktionen, Erweiterung der Blutgefäße, erhöhte Durchlässigkeit der Blutgefäße, Kontraktion der Atemmuskulatur bis hin zum anaphylaktischen Schock, verursachen. Einer dieser Faktoren ist Sphingosine-1-Phosphat. Dieses bioaktive Lipid spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen immunologischen Funktionen. So ist es etwa verantwortlich für die Rekrutierung von Lymphozyten und zur Freisetzung der Mediatoren von Mastzellen. Erhöhte S1P Spiegel führen in allergischen Menschen zur erhöhten Durchlässigkeit von Gefäßen und zur Kontraktion von glatten Muskeln. In dieser Studie erforschten wir die Interaktion von S1P mit dem intestinalen Epithel. Dabei entdeckten wir, dass die Epithelzellen in der Lage sind S1P zu produzieren und abzubauen, da sie Enyzme exprimieren, die dafür verantwortlich sind. Die Zellen haben die Fähigkeit durch die spezifischen Rezeptoren S1P2 und S1P3 auf S1P zu reagieren. Stimulation mit S1P hatte zur Folge, dass die Dichte der Epithelzellen zunahm und inflammatorische Zytokine, die nicht mit allergischen Reaktionen assoziiert sind, produziert wurden. Daraus schließen wir, dass S1P das intestinale Epithel gegen Schädigungen schützt. Die meist verwendete Methode um Nahrungsmittelallergien zu behandeln ist die orale Verabreichung von stetig steigernden Allergen Dosen. Dabei wird eine immunologische Toleranz aufgebaut. Eine Methode zur Verabreichung ist das Einschließen des Allergens in Lektin gebundene Mikropartikel. Diese transportieren den Stoff direkt zu spezifischen Zellen des intestinalen Epithels. Der zweite Teil der Arbeit bestand darin herauszufinden ob Mikropartikel, gebunden an verschiedene Lektine, die Barriere des Epithels beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass Mikropartikel gebunden an die Neuraminidase von Vibrio Cholerae die besten Effekte erzielen, jedoch keine der getesteten Partikel die Barriere stören und zur Induktion von inflammatorischen Zytokinen führen. Daher schließen wir, dass die Mikropartikel eine gute Möglichkeit für die Behandlung von Nahrungsmittelallergien sind.In food-allergic patients a dysregulation of the intestinal barrier leads to the enhanced passage of antigen, which results in the formation of Immunoglobulin E (IgE) producing plasma cells and the recruitment of allergy effector cells like mast cells. Upon activation, mast cells produce and release high amounts of allergy mediators, which promote the clinical implications such as vasodilation, increased vascular permeability, contraction of airway smooth muscles as well as increased mucus secretion or anaphylactic shock. One mast cell mediator, which influences the homeostasis of intestinal epithelial cells, is sphingosine-1-phosphate (S1P). This bioactive lipid is a key mediator for immunological functions by mediating immune cell trafficking. In allergic individuals elevated levels of S1P were found, which are produced and released by activated mast cells. These elevated levels induce allergic reactions like vascular permeability and contraction of smooth muscle cells. This study aimed to explore the interaction of S1P with the intestinal epithelium. The results show that Caco2 cells, a model cell line of intestinal epithelial cells, are able to produce and degrade S1P. Furthermore, they express two specific S1P receptors, S1P2 and S1P3. S1P stimulation of Caco2 cells causes the formation of tight junctions and enhanced transepithelial electrical resistance (TEER) as well as slightly upregulated inflammatory cytokine production. This leads to the assumption that S1P might have a protective function on intestinal barrier integrity. Since adverse reactions of allergic patients to the allergen can lead to severe clinical symptoms and anaphylactic shock, curative treatment possibilities are urgently needed. Specific immunotherapies aim to re-establish the tolerance against the allergen in the patient. In food allergies, the most prominent treatment option is oral immunotherapy. Through the administration of increasing amounts of allergen, the re-establishment of tolerance is achieved. One possibility to administer the allergen is by loading it into poly-(D, L-lactide-co-glycolide) microparticles (MPs). These structures protect the allergen from digestion and allow specific targeting of intestinal epithelial cells. Our aim was to evaluate the effect of differently coated MPs on intestinal epithelium. The results show that MPs induce cytokines related to a Th1 response while not impairing the barrier integrity. The most promising results were obtained using NA-MPs. From these experiments we can conclude that bound MPs are a novel and promising option for treatment of food allergy

Characterization of Vibrio cholerae neuraminidase as an immunomodulator for novel formulation of oral allergy immunotherapy

To improve current mucosal allergen immunotherapy Vibrio cholerae neuraminidase (NA) was evaluated as a novel epithelial targeting molecule for functionalization of allergen-loaded, poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microparticles (MPs) and compared to the previously described epithelial targeting lectins wheat germ agglutinin (WGA) and Aleuria aurantia lectin (AAL). All targeters revealed binding to Caco-2 cells, but only NA had high binding specificity to -L fucose and monosialoganglioside-1. An increased transepithelial uptake was found for NA-MPs in a M-cell co-culture model. NA and NA-MPs induced high levels of IFN- and IL10 in naive mouse splenocytes and CCL20 expression in Caco-2. Repeated oral gavage of NA-MPs resulted in a modulated, allergen-specific immune response. In conclusion, NA has enhanced M-cell specificity compared to the other targeters. NA functionalized MPs induce a Th1 and T-regulatory driven immune response and avoid allergy effector cell activation. Therefore, it is a promising novel, orally applied formula for allergy therapy.(VLID)469022