Charakterisierung zellautonomer Selbstverteidigung und pathogenvermittelter Gegenwehr in Coxiella burnetii-infizierten dendritischen Zellen und natürlichen Killerzellen
bearbeitet am Institut für Immunologie
Coxiella (C.) burnetii ist ein Gram-negatives Bakterium, dass das sogenannte Q-Fieber hervorruft. Die Erkrankung führt insbesondere bei trächtigen Wiederkäuern zu einer hohen Zahl an Schwach- und Fehlgeburten. Das hochinfektiöse Geburtsmaterial stellt dabei die größte Gefahr für die zoonotische Übertragung auf den Menschen dar. Während die akute Infektion meist asymptomatisch oder grippeähnlich verläuft, besteht ebenfalls die Gefahr einer Manifestierung als chronisches Q-Fieber, die mit schweren Komplikationen wie einer Endokarditis oder Hepatitis einhergehen kann. Im Verlauf der Infektion nutzt C. burnetii Wirtszellen für seine Vermehrung in Mensch und Tier. Das Bakterium nutzt dafür die Zellen der initialen Immunabwehr (first-line-of-defense), da diese sehr früh mit den aufgenommenen Bakterien in Kontakt treten. Dazu gehören neben Monozyten/Makrophagen auch dendritische Zellen (DCs), ebenso wie ihre Kooperationspartner die natürlichen Killerzellen (NK-Zellen).
Das Forschungsziel der Promotionsarbeit war es, einen detaillierten Einblick in die bisher unbekannten Prozesse der Coxiellen-Infektionen von DCs und NK-Zellen zu erhalten. Insbesondere wurde die Funktion des körpereigenen Botenstoffs Interferon-gamma (IFN-γ) untersucht, welcher eine Schlüsselrolle bei der Bekämpfung des Q-Fiebers einnimmt. Das Infektionsgeschehen wurde zudem unter variierenden Sauerstoffverhältnissen (Normalzustand & Mangelversorgung) untersucht, um die Wirts-Pathogen-Interaktion unter verschiedenen physiologischen Bedingungen abbilden zu können.
Die durchgeführten Analysen belegen, dass das Bakterium die Aktivierung der MHC I-Antigenpräsentation infizierter DCs unterdrückt. Dieser Prozess ist allerdings essenziell für die Initialisierung einer weiterführenden Immunantwort des Wirtes. Diese Beeinträchtigung lässt sich unmittelbar auf einen autokrinen Suppressionseffekt des Botenstoffs TGF-β zurückführen, welcher durch ein spezielles Eiweißmolekül (αVβ8-Integrin) aktiviert wird.
Weitere Untersuchungen zeigen, dass das IFN-γ seiner Schlüsselrolle auch im Zusammenhang mit DCs gerecht wird. Tatsächlich bewirkt das Zytokin eine Wiederherstellung der Antigenpräsentation (MHC I-Induktion und -Oberflächenexpression) infizierter DCs. Des Weiteren sind IFN-γ-behandelte DCs in der Lage, die Vermehrung der intrazellulärer Coxiellen negativ zu beeinflussen. Dies wird maßgeblich durch ein auf Stickstoffmonoxid (NO)-basierendes Radikalsystem (iNOS/NO-System) verursacht. Parallel schützen sich infizierte DCs selbst über eine Anpassung des eigenen Stoffwechsels vor der toxischen Radikalwirkung und sichern so ihr Überleben.
Verläuft die Infektion unter sauerstoffreduzierten Bedingungen scheint dies C. burnetii dazu zu veranlassen ein sporenähnliches Stadium auszubilden. Diese bakterielle Überlebensform zeichnet sich durch eine IFN-γ-Resistenz und eine optimierte Sauerstoffverwertung und Radikalentgiftung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ihrer Infektiosität aus. Die Anpassungen deuten darauf hin, dass die Bakterien sauerstoffreduzierte Areale zur Flucht vor einer effizienten Immunabwehr nutzen, was so mutmaßlich chronische C. burnetii-Infektionen fördert.
Für die Synthese und Freisetzung des entscheidenden IFN-γ sind vor allem die mit DCs kooperierenden NK-Zellen verantwortlich. Die durchgeführten Studien belegen, dass NK-Zellen von C. burnetii infiziert werden, sie jedoch die Vermehrung der Bakterien durch deren Ausschleusung in die Umgebung unterbinden können. Dieser Prozess geht mit einer NK-Zell-Aktivierung einher. Zudem zeigen die Analysen, dass die Coxiellen-Freisetzung über Degranulierung, also einen Zellausschluss mittels zytotoxischer Vesikel, erfolgt. Obschon die Coxiellen der Eliminierung durch diese Vesikel entgehen und dies eine Achillesferse der frühen Immunantwort darstellt, verbleibt über das gleichzeitig ausgeschüttete IFN-γ der positive Effekt auf die antibakterielle DC-Aktivität.
In ihrer Gesamtbetrachtung tragen die Ergebnisse der Promotionsarbeit zu einem besseren und tieferen Verständnis der C. burnetii-Infektion von DCs und NK-Zellen bei und geben neue Einsichten in die zelluläre Selbstverteidigung sowie die IFN-γ-basierte Immunkooperation innerhalb der frühen Phase der anti-Coxiellen Abwehr.
Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen beteiligten Kolleg*innen und Kooperationspartner*innen sowie dem Förderverein für die Würdigung meiner Arbeit bedanken!
Abbildung 1: Postuliertes Arbeitsmodell zur funktionalen Wechselwirkung zwischen DCs und NK-Zellen bei der anti-C. burnetii Abwehr.
Während die Coxiellen in infizierten DCs zunächst über autokrine TGF-β-Ausschüttung eine Subversion der DC-Reifung bewirken, bei der sowohl die iNOS/NO-vermittelte Abwehr als auch die MHC I-Antigenpräsentation beeinträchtigt sind, folgt der Coxiellen-Infektion von NK-Zellen eine funktionale Reifung und Aktivierung. Obschon die Aufnahme der Bakterien in NK-Zell-Granula und deren anschließende Freisetzung nicht zur Eliminierung des Pathogens führen, nimmt die IFN-γ-Ausschüttung aktivierter NK-Zellen Einfluss auf die zelluläre Selbstverteidigung infizierter DCs. Durch den IFN-γ-Einfluss wird die αVβ8-Integrin-Expression reduziert, was die TGF-β-Aktivierung mindert und durch weitere IFN-γ-Induktion die Aktivierung, MHC I-Präsentation und zelluläre C. burnetii-Abwehr über iNOS/NO bewirkt. Parallel hierzu wird ein metabolischer Wechsel von der OXPHOS zur Glykolyse eingeleitet, der das Überleben der DCs sichert.
Abb.: S. Matthiesen