Neue Erkenntnisse zu Neutrophilen und Pilzinfektionen

Invasive Pilzinfektionen (IFIs) sind ein ernsthaftes Gesundheitsproblem weltweit und verursachen jedes Jahr über 1,5 Millionen Todesfälle. Eine der häufigsten Formen von IFI ist die invasive Aspergillose (IA), die hauptsächlich mit dem Pilz Aspergillus fumigatus verbunden ist. Diese Krankheit erfordert oft einen Krankenhausaufenthalt und erhöht die Gesundheitskosten erheblich, mit Schätzungen von rund 1,8 Milliarden Dollar jährlich in den Vereinigten Staaten. Menschen mit niedrigen weissen Blutkörperchen, insbesondere Neutrophile, haben ein höheres Risiko, IA zu entwickeln, da Neutrophile eine entscheidende Rolle in der ersten Reaktion des Körpers auf Infektionen spielen.

#Die Rolle der Neutrophilen im Kampf gegen Pilzinfektionen

Neutrophile sind essenzielle Verteidiger gegen Infektionen, auch gegen die von A. fumigatus verursachten. Sie haben spezielle Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, die als Pattern Recognition Receptors (PRRs) bekannt sind und ihnen helfen, eindringende Pilze zu identifizieren und darauf zu reagieren. Sobald diese Rezeptoren aktiviert sind, können Neutrophile verschiedene Funktionen ausführen, um die Infektion zu bekämpfen. Dazu gehören:

• Phagozytose: Eindringen und Verdauen von Krankheitserregern.
• Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS): Erzeugung schädlicher Chemikalien, die Krankheitserreger abtöten.
• Bildung von Neutrophilen Extrazellulären Fallen (NETs): Schaffung netzartiger Strukturen, die Pilze fangen und töten.
• Degranulation: Freisetzung von Substanzen mit antifungalen Eigenschaften.

Neutrophile produzieren schnell ROS, um Infektionen zu bewältigen, und es wurde gezeigt, dass sie nach der Aktivierung ihren Stoffwechsel in einen speziellen Weg umschalten, der die Erzeugung von mehr ROS ermöglicht. Störungen in diesem Stoffwechselwechsel können ihre Fähigkeit zur Kontrolle des Pilzwachstums schwächen.

Trotz der Bedeutung der Neutrophilen im Kampf gegen Infektionen ist es eine Herausforderung, menschliche Neutrophile zu studieren, weil sie eine begrenzte Lebensdauer haben und nicht leicht genetisch im Labor modifiziert werden können. Das zeigt, dass es bessere Labor-Modelle braucht, um zu verstehen, wie Neutrophile mit Pilzen interagieren.

#Einschränkungen der aktuellen Modelle

In der Forschung werden oft Neutrophile aus Mausmodellen verwendet, um die Abwehr gegen Pilze zu untersuchen. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede zwischen Maus- und menschlichen Neutrophilen in Bezug auf ihre Eigenschaften und Funktionen, was es kompliziert macht, Ergebnisse von Tiermodellen auf Menschen zu übertragen. Zum Beispiel ist ein Rezeptor, der für die antifungale Aktivität in Maus-Neutrophilen wichtig ist, bei menschlichen Neutrophilen nicht so entscheidend. Diese Diskrepanz betont die Notwendigkeit menschlicher Zelllinien, die genetisch manipuliert werden können.

Einige menschliche Zelllinien, wie HL-60 und PLB-985, können Neutrophilenfunktionen in Laboreinstellungen nachahmen. Während diese Modelle in der Erforschung der antifungalen Immunität einige Wirksamkeit gezeigt haben, haben sie Einschränkungen in der Fähigkeit, bestimmte Neutrophilenfunktionen so effizient wie primäre menschliche Neutrophile auszuführen.

Eine vielversprechende Option sind menschliche von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) abgeleitete Neutrophile, bekannt als iNeutrophile. Diese Zellen können genetisch modifiziert werden und haben eine gewisse Wirksamkeit in der Untersuchung der Neutrophilenmigration gezeigt. Allerdings sind ihre antifungalen Fähigkeiten begrenzt, weitgehend aufgrund der Herausforderungen bei der Gewährleistung von Einheitlichkeit während ihrer Entwicklung.

Jüngste Erkenntnisse zeigen, dass die Entfernung eines spezifischen Faktors, GATA1, aus iPSCs zu einer konsistenteren und effektiveren Population reifer iNeutrophile führen kann, was ihre Fähigkeit zur Bildung von NETs verbessert.

#Verbesserungen der iNeutrophilen-Funktion

Forschung hat gezeigt, dass iNeutrophile ohne GATA1 (GATA1-KO) eine bessere antifungale Aktivität gegen A. fumigatus zeigen als ihre normalen Gegenstücke. Diese modifizierten iNeutrophile exprimieren mehr antifungale Rezeptoren und zeigen verbesserte antifungale Funktionen. Wenn sie Zellen aus ss-Glucan-reichen Partikeln ausgesetzt sind, verändern diese Zellen ihren Stoffwechsel in denselben Weg wie primäre menschliche Neutrophile, was entscheidend für die Produktion von ROS ist.

Um die Mechanismen hinter ihren verbesserten Funktionen weiter zu erforschen, haben Forscher einen Oberflächenrezeptor namens CD18 von diesen Zellen gelöscht. Die Ergebnisse zeigten, dass die GATA1-KO iNeutrophile zwar wirksam im Kontrollieren des Pilzwachstums waren, die Löschung von CD18 jedoch ihre Fähigkeit, A. fumigatus abzutöten, erheblich beeinträchtigte, auch wenn dies ihren Stoffwechselwechsel nach der Stimulation nicht beeinflusste.

Das deutet darauf hin, dass CD18 eine entscheidende Rolle in den antifungalen Aktivitäten der Neutrophilen spielt, was die Notwendigkeit dieses Rezeptors für effektive Immunantworten bestätigt.

#Testen der antifungalen Aktivität

Um die antifungalen Fähigkeiten der GATA1-KO iNeutrophile zu bewerten, schufen Forscher eine neue Linie von iPSCs, bei der GATA1 gelöscht wurde. Diese Zellen wurden dann in iNeutrophile weiterentwickelt, um ihre Fähigkeit zu überprüfen, A. fumigatus in Labortests abzutöten.

Die Experimente zeigten, dass GATA1-KO iNeutrophile deutlich besser abschnitten als normale iNeutrophile beim Reinigen von Pilzzellen nach vier Stunden Exposition. In einem Serum, das menschliche Blutbedingungen simulierte, erreichten GATA1-KO iNeutrophile etwa 40% Pilzbeseitigung, verglichen mit nur rund 13% Entfernung durch Wildtyp-Zellen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sie immer noch eine langsamere Tötungsrate im Vergleich zu primären menschlichen Neutrophilen hatten.

Nach 24 Stunden wurde festgestellt, dass GATA1-KO iNeutrophile das Wachstum von A. fumigatus auf ähnliche Werte wie die primären menschlichen Neutrophilen reduzierten. Das deutet darauf hin, dass, während ihre unmittelbare Tötungsfähigkeit möglicherweise hinterherhinkt, ihre gesamte Fähigkeit zur Kontrolle des Pilzwachstums vergleichbar ist.

Forscher verwendeten auch Zeitraffer-Mikroskopie, um die Interaktionen zwischen Neutrophilen und Pilzen zu verfolgen. Es wurde beobachtet, dass GATA1-KO iNeutrophile sich um A. fumigatus aggregierten, obwohl ihre Cluster kleiner waren als die, die von primären menschlichen Neutrophilen gebildet wurden.

#Verbesserte Rezeptorexpression

Um zu untersuchen, warum GATA1-KO iNeutrophile effizienter beim Töten von Pilzen sind, analysierten Forscher die Expression von antifungalen Rezeptoren auf der Oberfläche dieser Zellen. Die Ergebnisse zeigten, dass GATA1-KO iNeutrophile eine signifikant höhere Präsenz verschiedener wichtiger Rezeptoren, einschliesslich Dectin-1 und CD18, im Vergleich zu Wildtyp-Zellen hatten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gesteigerte Reife und Rezeptorexpression bei GATA1-KO iNeutrophilen wahrscheinlich zu ihrer verbesserten Fähigkeit beitragen, Pilzinfektionen zu bekämpfen, was sie zu einem hervorragenden Modell zur Untersuchung der Neutrophilenfunktionen macht.

#Stoffwechsel und antifungale Aktivität

Die Studie erforschte ausserdem die Stoffwechselveränderungen in iNeutrophilen nach der Exposition gegenüber Zymosan, einem Bestandteil der Zellwände von Pilzen. Diese Analyse ergab, dass GATA1-KO iNeutrophile ihre Stoffwechselrate erhöhten und sich in Richtung Wege verschoben, die die verstärkte Produktion von ROS unterstützen.

Diese metabolischen Anpassungen sind entscheidend, da sie die Fähigkeit der Neutrophilen antreiben, Substanzen zu erzeugen, die Pilze abtöten oder deren Wachstum hemmen können. GATA1-KO iNeutrophile zeigten nach Stimulation erhöhte Werte bestimmter Metaboliten, die mit dem Pentosephosphatweg verbunden sind, was die Annahme verstärkt, dass metabolische Veränderungen wichtig für effektive Immunantworten sind.

#Verbesserte Neutrophilenfunktionen

Studien zeigten, dass GATA1-KO iNeutrophile verbesserte Effektorfunktionen aufwiesen, wie eine bessere Phagozytose von Zymosan-Partikeln, eine erhöhte ROS-Produktion und eine gesteigerte NET-Bildung als Reaktion auf spezifische Stimuli.

GATA1-KO iNeutrophile zeigten eine signifikante Fähigkeit, Zymosan-Partikel zu engulfieren, was darauf hinweist, dass ihre phagozytischen Fähigkeiten im Vergleich zu ihren Wildtyp-Pendants verbessert wurden. Sie erzeugten auch höhere ROS-Werte, was eine robuste Antwort zeigt, die die primären menschlichen Neutrophilen fast erreicht.

Insgesamt heben die Ergebnisse hervor, dass GATA1-KO iNeutrophile nicht nur effizienter in ihren antifungalen Aktionen sind, sondern auch verbesserte insgesamt Immunfähigkeiten besitzen.

#Migration und Chemotaxis

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Neutrophilenfunktion ist ihre Fähigkeit, zu Infektionsstellen zu migrieren. Das Leukotrien LTB4 spielt eine wesentliche Rolle dabei, Neutrophile dorthin zu leiten, wo sie gebraucht werden. Studien zeigten, dass sowohl GATA1-KO als auch Wildtyp-iNeutrophile effektiv den LTB4-Rezeptor exprimieren und auf dieses chemotaktische Signal reagieren.

Allerdings zeigten GATA1-KO iNeutrophile langsamere Migrationsgeschwindigkeiten im Vergleich zu ihren Wildtyp-Pendants. Trotz dessen zeigten beide Zelltypen eine kompetente Reaktion auf LTB4-Gradienten, was darauf hindeutet, dass GATA1-KO iNeutrophile funktionale chemotaktische Fähigkeiten behalten.

#Bedeutung von CD18 für die antifungale Aktivität

Die Experimente bestätigten, dass CD18 entscheidend für die antifungalen Funktionen von GATA1-KO iNeutrophilen ist. Als die Forscher das CD18-Rezeptor-Gen löschten, beobachteten sie eine signifikante Reduzierung der Fähigkeit der iNeutrophile, A. fumigatus abzutöten und dessen Wachstum zu kontrollieren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass, während GATA1-KO iNeutrophile ihren Stoffwechsel effektiv umstellen, sie stark auf die Präsenz von CD18 für die optimale antifungale Reaktion angewiesen sind, was mit früheren Studien zur Neutrophilenaktivität übereinstimmt.

#Auswirkungen des Verlusts von CD18 auf die Funktionalität

Weitere Untersuchungen zeigten, dass das Fehlen von CD18 zu einer Beeinträchtigung der Neutrophilenansammlung um A. fumigatus führte. Obwohl sowohl GATA1-KO als auch CD18-defiziente Zellen in der Lage waren, sich um den Pilz zu gruppieren, waren die Cluster, die von den CD18-defizienten Zellen gebildet wurden, kleiner, was auf eine Einschränkung ihrer Aggregations- und Bewegungsfähigkeiten hindeutet.

Bei Chemotaxis-Assays zeigten CD18-defiziente iNeutrophile Schwierigkeiten, sich in Richtung LTB4 zu bewegen, was darauf hindeutet, dass dieser Rezeptor entscheidend für effektive Bewegung und Ansammlung als Reaktion auf Pilzinfektionen ist.

#Fazit: Das Potenzial von iNeutrophilen in der Forschung

Die Forschung legt nahe, dass menschliche iPSC-abgeleitete iNeutrophile effektiv als Modell dienen, um zu untersuchen, wie Neutrophile gegen Pilzinfektionen verteidigen. GATA1-KO iNeutrophile bieten einen reiferen und reaktionsfähigeren Zelltyp, der signifikante antifungale Aktivität zeigt. Ihre Fähigkeit zur metabolischen Anpassung unterstreicht die Komplexität der Immunantworten.

Mit den Erkenntnissen, dass GATA1-KO iNeutrophile wichtige Funktionen primärer menschlicher Neutrophilen nachahmen können, bieten sie spannende Möglichkeiten für weitere Forschungen zur menschlichen Neutrophilenbiologie und zur Entwicklung neuer Therapien für Patienten mit geschwächtem Immunsystem. Die unendliche Verfügbarkeit von genetisch bearbeitbaren iNeutrophilen eröffnet spannende Wege, um sowohl das Verständnis als auch die potenzielle Behandlung von Infektionen bei Personen, die aufgrund von Neutropenie anfällig sind, zu verbessern.

Durch die Nutzung von iNeutrophilen in der Forschung hoffen Wissenschaftler, tiefere Einblicke in die Mechanismen hinter immunologischen Reaktionen auf Pilzinfektionen und die breiteren Auswirkungen auf Therapien zu gewinnen, die targeting diese kritischen Komponenten des Immunsystems.