H. hepaticus-driven inflammation alterters the intestinal mononuclear phagocyte compartment
グラム陰性菌Helicobacter hepaticus(Hh)は、マウス下部腸管の粘膜層に普通に見られる非侵襲性の生物である。 この細菌に感染した野生型動物は腸管免疫病理を発症せず、感染のキャリアーとして機能する。21 しかし、IL-10/IL-10R経路に遺伝子欠損を持つマウスは実験的Hh感染に感受性があり、上皮過形成に伴う結腸・盲腸の重度の炎症(チフルコリン炎)を起こす22.。 23 同様に、野生型マウスの Hh 感染と抗 IL-10R モノクローナル抗体の同時投与は、強固な T helper type 1/type 17 (Th1/Th17) – polarized effector T cell response とともに IL-23 依存性の腸炎を引き起こす。Hh 感染し抗 IL-10R 抗体を投与したマウスは、非感染あるいは単独投与のコントロールではなく、感染後 2-3 週以内に大腸炎の組織学 的特徴を呈する (Figure 1a). Hhおよび抗IL-10R処理マウスはさらに、好中球およびMHCII+単球の優勢な集団を含む、固有層内の白血球の著しい浸潤を示す(図1b)(図1cおよび補足図S1aオンライン)。 非炎症結腸では、血液から固有層に入った単球は、CD64、MHCII、F4/80およびCD11cを高レベルで発現する組織マクロファージ11(CD11b+ CX3CR1hi Ly6Clo細胞、緑のサブセットとして定義)を優先的に生成する(図1d、補図S1b)。 しかし、この過程は炎症時に劇的に変化し、大腸固有層内にMHCII+単球(CD11b+ CX3CR1int Ly6Chi細胞、赤色サブセットとして定義)が著しく集積していることが観察された。 これらの細胞は、CD64とMHCIIの発現、およびF4/80、CD24、CD11cの中間レベルによって特徴付けられる(図1c-eおよび補足図S1a)。 定常状態では、MHCII+単球およびマクロファージは、抗炎症性マクロファージ機能に関連するマーカーであるマンノース受容体(CD206)を発現している24。しかし、大腸炎時にはMHCII+単球およびマクロファージでCD206の発現が低下しており(図1f)、単球のみならずマクロファージの機能も炎症時に変化することが示唆された。 実際、炎症時にはMHCII+単球はtumor necrosis factor-αやIL-6タンパク質、Nos2(誘導性一酸化窒素合成酵素)mRNAを多く発現し、マクロファージでもIL-6が増加することが分かった(補足図S1c)。 MHCII+単球とマクロファージの両方によるIL-10産生も炎症中に増加し(補足図S1c)、炎症駆動型の負のフィードバック経路を反映している可能性が最も高い。 CX3CR1GFP/+マウスをHhに感染させ,抗IL-10Rモノクローナル抗体(mAb)で処理するか,または示したようにそれぞれの単独対照で処理し,感染していない対照(Ctrl)と比較した。 マウスは2-3週間後に分析した。 (a)結腸の病理組織学的スコア。 (b)マウス1匹あたりの大腸固有層の総細胞数。 (c)全大腸CD11b+白血球中の骨髄系細胞サブセットの頻度。 (d) 蛍光活性化セルソーティング(FACS)プロットおよび(e) ヒストグラム。 MHCII+単球(CD11b+ CX3CR1int Ly6Chi、赤いサブセット)、マクロファージ(CD11b+ CX3CR1hi Ly6Clo細胞、緑のサブセット)、CD11b+ DC(CD11c+ CD103- CD11b+ CX3CR1int 細胞、灰色のサブセット)、CD103+ DC(CD11c+ CD103+ CX3CR1-細胞、オレンジのサブセット)の表示されたミエロイドサブセットに関する(e)の代表的な蛍光活性化細胞ソーティングのグラフ。 すべての細胞は、好中球と好酸球を除く生きたCD45+白血球に前駆体化した。 CD11b+ MHCII+細胞の蛍光マイナス1(FMO)対照を示す。 (f)フローサイトメトリーによって決定された、示されたサブセット中のCD206+細胞の頻度。 データポイントは個々のマウスを表し、バーは中央値を示す。 すべてのデータは、少なくとも2つの独立した実験の代表値である。 **P<0.01、***P<0.001は、ボンフェローニの事後検定による一元配置分散分析(ANOVA)によって決定されたものである。 DC, 樹状細胞; IL-10, インターロイキン-10; LPL, lamina propria leukocyte.
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MHCII+ 単球はマクロファージへの分化に加えて、マクロファージと従来のDCに関係するLy6Clo CX3CR1int 異質サブセットへの分化も示されてきた11。 この異種コンパートメントのうち、CD11b+ DC(CD11c+ CD103- CD11b+ CX3CR1int細胞、灰色のサブセットとして定義)は、恒常性条件下でマクロファージと容易に区別することができる。 CD11b+DCはMHCII、CD24、CD11cを発現するが、マクロファージによく見られるマーカーであるCD64とF4/80の発現はない(図1dおよび補足図S1b)。 しかし、マクロファージとCD11b+ DCの区別は、CD64を発現する集団の出現によって炎症中に曖昧になり(図1d,e)、これらの細胞が定常状態のマクロファージまたはCD11b+ DCとどのように存在形態的および機能的に関連しているかは、現在のところ不明であった。
大腸炎の間、MHCII+単球の著しい蓄積は、CD45+薄層細胞中のマクロファージ、CD11b+DC、およびCD103+DC(CD11c+CD103+CX3CR1-細胞、オレンジ色のサブセットとして定義)の頻度の減少と相関した(図1c,d)。 しかし、絶対数はCD11b+ DCとCD103+ CD11b+ DCのわずかな増加を示していた。 一方、マクロファージの数は変化せず、CD103+ CD11b- DCはわずかに減少した(補足図S1a)。
IL-10R遮断の存在下でのHh感染は、骨髄区画の劇的変化を伴う腸の炎症を誘発した。 大腸固有層に顆粒球とMHCII+単球が優位に集積していることが確認された。 さらに、MHCII+単球とマクロファージはより炎症性のプロファイルを獲得した。
CD11c+ 単核食細胞はIL-23の産生を介して大腸炎を引き起こす
Hh+anti-IL-10R モデルにおいて、IL-23がこのモデルの主要駆動力とされているので23、次に、単核食細胞によるIL-23産生の大腸炎の進展に対する機能的関連性を調べた。 そこで、ItgaxによってコードされるCD11cプロモーターの制御下で緑色蛍光タンパク質(GFP)とCreリコンビナーゼを発現するマウスとIl23a遺伝子の4つのエキソンを挟む2つのloxPサイトを持つマウス27を交配し、Cd11c-cre.Il23afl/fl (CD11cIL-23-) マウスを作製した。
CD11cIL-23-マウスはCD11cプロモーターの制御下でGFPを発現するため、CX3CR1-GFPレポーターマウスと交配できないので、これらのマウスの骨髄区画を評価するために別のゲート戦略に頼った(補足図S2)。 定常状態では、CD11cIL-23-マウスは、IL-23欠損同胞(CD11cIL-23+)と同様の数の白血球を結腸内に有し(補足図S3a)、骨髄系細胞またはT細胞の頻度における有意な変化は観察されなかった(補足図S3b)。 しかし、IL-23は分化したTh17細胞の維持に必要であるため28、CD11cIL-23-マウスは大腸のIL-17+およびIL-17+ IFNγ+ CD4+ T細胞のレベルが強く減少していることを示した(補足図S3c)。
Hhの感染と抗IL-10R処理により、CD11cIL-23-マウスはCD11cIL-23+マウスと比較して大腸炎が著しく減少し、大腸と盲腸全体で上皮性陰窩過形成と白血球浸潤が減少した(図2a,b)。 CD11cIL-23-マウスはまた、脾臓腫大の発生を示さず(図2c)、全身性疾患の徴候からも保護されていることが示された。 CD11cIL-23-マウスで観察された病理学の減少は、Hhコロニー形成レベルがCD11cIL-23-群とCD11cIL-23+群で同様であったことから、細菌負荷の差によるものではなかった(図2d)。 病理学的変化の減少と一致して、CD11cIL-23-マウスの結腸では、HhおよびIL-10R遮断後、自然および適応エフェクターサイトカインの両方が強く減少し(図2e)、IL-23自体の量も減少していた(図2f)。
白血球浸潤の減少に伴い、CD11cIL-23-マウスは、Hh感染およびIL-10R遮断後に、同様に処理したCD11cIL-23+同腹子と比較して、層状突起内のMHCII-およびMHCII+単球(図3a)および好中球(補足図S3d)の両方の頻度と数の減少が見られた。 CD11cIL-23-マウスにおける単球の低浸潤は、ラミナプロプリアマクロファージの高い頻度と相関していたが、CD11b+ DCおよびCD103+ DCの頻度は変わらず、絶対数が減少した(補足図 S3d)。
IL-23はT細胞に直接作用して腸の炎症を促進し、大腸での蓄積と増殖を促進するので、29 大腸炎中のCD11cIL-23-マウスとCD11cIL-23+マウスの大腸T細胞コンパートメントについて検討した。 CD11cIL-23-マウスは、IL-23欠損の同胞と比較して、大腸CD4+ T細胞の低い頻度を示した(図3b)。 CD11cIL-23+マウスは、シングルおよびダブル産生IL-17A+/IFNγ+T細胞の出現によって特徴づけられる強固なTh1/Th17エフェクター反応をマウントしたのに対し、CD11cIL-23マウスは対応するサイトカインの軽い誘導のみを示した(図3c)
全体として、CD11cIL-23-マウスにおける大腸炎の不在は、CD11c-発現MNPsによるIL-23の生産が腸炎症反応において非余裕な役割を果たすことを示唆した。
MHCII+ monocytes and macrophage are the major source of IL-23 upon H. hepaticus infection
IL-23-proficient mouseにおける大腸炎発症に関連する一連の出来事をより理解するために、我々はまず大腸lamina propriaから精製した白血球のIL-23発現を観察した。 IL23a mRNAの発現は大腸炎発症後4-5日で一貫して検出可能であった(図4a)。このことは、大腸におけるIL-23の初期産生に組織常在および/または急速に動員される細胞サブセットが関与していることを示唆している。 したがって、この時点をその後の解析に選んだ。 Hh感染および抗IL-10R処理後4日目に、CD11cIL-23+マウスは、感染していないコントロールマウスと比較して、固有層における白血球の浸潤が増加していた(図4b)。 この流入は、結腸内のすべてのMNPサブセット数の増加(補足図S4a、b)と相関し、またMHCII-およびMHCII+単球(図4c、d)、好中球(図4d)、CD103+ CD11b-DC、およびCD103+ CD11b+DC(図4e)の頻度も増加した。 しかし、全白血球中のマクロファージおよびCD11b+ DCの頻度は、この時点で変化しなかった(図4d)。
IL-23依存性腸炎症に関与する骨髄系サブセットをさらに特徴付けるために、CD11cIL-23+マウスからの層状突起細胞によるCD11c-Cre関連GFP発現について検討した。 CD45+細胞の分析により、Cre-GFPの発現は細胞表面にCD11cを発現する白血球に限定されるが(図4f)、CD11chi細胞で優位に観察されることが確認された。 さらに、Cre関連GFP蛍光はMHCII+細胞でのみ観察され(図4g)、興味深いことに、Il23a mRNAの発現はCre-GFP+細胞に限定された(図4h)。 層状固有層のMNPの大部分は、高レベルのCD11cを発現している(図1eおよび補足図S1b)。 CD11cIL-23+マウスにおける明瞭な骨髄サブセットの分析により、CD11c-Cre関連GFP発現は、マクロファージ、CD103+ CD11b- DC、CD103+ CD11b+ DC、(図4i)、およびCD11b+ DC(示さず)の間で優勢に検出されることが判明した。 さらに、MHCII+単球の半分以上がCre-GFPに陽性であり、これらのサブセットのすべてがIL-23の潜在的供給源である可能性を示している。 一方、好酸球、好中球、MHCII-単球にはCreの発現が見られなかった(図4i)。
これらのサブセットのうちどれがin vivoでのIL-23の機能的供給源であるかを明らかにするために、IL-10R遮断存在下でHh感染4日後にCD11cIL-23マウスとCD11cIL-23+マウスからフローサイトメトリーによって選別した該当集団によるIL23a mRNA発現を評価した。 驚くべきことに、CD11cIL-23+細胞におけるIl23a mRNAの発現は、ほとんどがMHCII+単球とマクロファージに限られ、CD103+ CD11b- DCとCD103+ CD11b+ DCでは低い発現が検出できた(図4j)。 さらに、MHCII+単球とマクロファージの両方によるIl23a発現は、CD11cIL-23-マウスで著しく減少し、CD11c-Cre発現がこれらの細胞サブセット内で活性化していることが示された(図4j)。 MHCII-単球で観察された低いIl23a発現(図4k)は、IL-23の誘導が、それらの局所成熟およびMHCIIの獲得中に層状突起で起こることを示唆している。
CX3CR1の発現レベルがMNPの個別のサブセットを識別するので、CX3CR1GFP/+マウスで分析を繰り返した。 非感染マウスでは、MHCII+単球、CD103+CD11b+DC、(補足図S4c、d)、およびCD11b+DC(補足図S4d)において、低レベルの構成的Il23aが検出された。 しかし、HhおよびIL-10R遮断による感染後4日目におけるIl23aの発現増加は、MHCII+単球(補足図S4d)およびマクロファージ(図示せず)においてのみ、一貫して検出されていた。 炎症の経過中、高いIl23a発現はMHCII+単球とその発生子孫で維持されたが、CD103+ DCでは維持されなかった(図5a)。 CX3CR1intサブセットのうち、Il23aの発現はさらにCD64+細胞に制限された(図5b)。