DOI: https://doi.org/10.1084/jem.20231236
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38597952
تاريخ النشر: 2024-04-10
المؤلف: Pauline Schmitt وآخرون
الموضوع الرئيسي: IL-33، ST2، ومسارات ILC
نظرة عامة
تسلط هذه القسم من ورقة البحث الضوء على دور السيتوكينات المستمدة من الظهارة، وخاصة TNF-like ligand 1A (TL1A)، في المناعة من النوع 2 والربو. يظهر المؤلفون أن TL1A يتم التعبير عنه بشكل مستمر في الظهارة الهوائية لكل من الفئران والبشر ويعمل كمنبه ظهاري. يعمل بالتعاون مع interleukin-33 (IL-33) لتعزيز التحفيز المبكر لخلايا اللمفوية الفطرية من النوع 2 (ILC2s) ذات إنتاج IL-9 العالي خلال بداية التهاب الشعب الهوائية التحسسي.
تؤدي التفاعلات التآزرية بين IL-33 و TL1A إلى نمط ظاهري “ILC9” مؤقت يتميز بارتفاع IL-9 وانخفاض تعبير GATA3 في ILC2s الرئوية، مما يعزز بشكل كبير قدرتها على إنتاج IL-9. من خلال مجموعة من التحليلات البروتينية، وميكروسكوبية الرئة الحية، ودراسات النقل التبني، يكشف المؤلفون أن هذا التعبير العالي عن IL-9 يشير إلى حالة إنتاج متعددة السيتوكينات لخلايا ILC2s المنشطة، والتي تعتبر حاسمة لبدء التهاب الشعب الهوائية التحسسي المعتمد على IL-5. تضع النتائج TL1A كعامل سيتوكيني رئيسي مستمد من الظهارة وكمساعد أساسي لـ IL-33 في الفيزيولوجيا المرضية لالتهاب الشعب الهوائية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الهام للالتهاب التحسسي في الأمراض مثل الربو والتهاب الأنف التحسسي، مما يبرز الحاجة لفهم الآليات الأساسية التي تسهم في هذه الحالات. كشفت التقدمات الحديثة أن خلايا الظهارة الهوائية تلعب دورًا حاسمًا في الوساطة المناعية من النوع 2 والربو. على وجه الخصوص، تطلق هذه الخلايا سيتوكينات رئيسية، مثل interleukin-33 (IL-33) و thymic stromal lymphopoietin (TSLP)، استجابة لمختلف المحفزات، والتي تُعتبر مرتبطة بتسبب الربو كما تدعمه دراسات الارتباط الجينومي الواسعة والتجارب السريرية.
تركز الورقة على مسار IL-33/ST2، الذي يتم تنشيطه عند التعرض لمسببات الحساسية مثل Alternaria alternata، مما يؤدي إلى إنتاج IL-5 و IL-13 بواسطة خلايا اللمفوية الفطرية من المجموعة 2 (ILC2s) وظهور الحمضات. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة TL1A، وهو سيتوكين ظهاري آخر، كمساعد يعمل جنبًا إلى جنب مع IL-33 لتعزيز تنشيط ILC2s. يظهر المؤلفون أن TL1A يتم التعبير عنه بشكل مستمر في الظهارة الرئوية وعندما يتم تنشيطه بشكل تآزري مع IL-33، فإنه يحفز نمط ظاهري فريد من ILC2 يتميز بإنتاج IL-9 العالي. تشير هذه النتيجة إلى أن IL-33 و TL1A، جنبًا إلى جنب مع ILC2s ذات إنتاج IL-9 العالي، تشكل نظام إنذار قوي يبدأ التهاب الشعب الهوائية بعد التعرض لمسببات الحساسية، مما يسهم في فهم آليات الالتهاب التحسسي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام نماذج فئران متنوعة، بما في ذلك C57BL/6 J النوع البري، Rag2 -/- الفئران، Il33 -/- الفئران، فئران IL-9-eGFP المضيئة، وفئران Red5 IL-5 المضيئة، جميعها تم الحفاظ عليها تحت ظروف خالية من مسببات الأمراض المحددة. تم توزيع الفئران التي تتراوح أعمارها بين 6-12 أسبوعًا عشوائيًا إلى مجموعات للتجارب، مع تحديد أحجام العينات في أساطير الأشكال. التزمت الدراسة بالإرشادات المؤسسية وحصلت على موافقة من اللجان المعنية برعاية الحيوانات.
لإجراءات التجارب، تم تخدير الفئران باستخدام isoflurane وتعرضت للإدارة الأنفية (i.n.) لمسبب الحساسية الفطري *A. alternata* (12.5 ميكروغرام) أو السيتوكينات المؤتلفة (IL-33 عند 1 ميكروغرام و TL1A عند 5 ميكروغرام). تم جمع عينات من سوائل الرئة وغسل الشعب الهوائية (BAL) في نقاط زمنية مختلفة (15 دقيقة إلى 48 ساعة) للتحليلات اللاحقة، بما في ذلك تحليل التدفق، وWestern blot، وqPCR، وELISA. تضمنت التجارب الإضافية الإدارة المشتركة للأجسام المضادة المعطلة لوظيفة TL1A و IL-2، بالإضافة إلى التصوير الحي لـ IL-9 العالي ILC2s بعد نظام من حقن rIL-33 لتوسيع تجمعات ILC2 الرئوية.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن TL1A، وهو سيتوكين ظهاري، يتم التعبير عنه بشكل مستمر في كل من خلايا الظهارة الهوائية من النوع 1 (AT1) والنوع 2 (AT2) وكذلك خلايا القاعدة الهوائية في رئات البشر الأصحاء. تم التحقق من هذه النتيجة باستخدام مجموعات بيانات من خريطة خلايا الرئة البشرية LungMAP وAtlas خلايا الإنسان، والتي أكدت تعبير TL1A في كل من الظهارة الرئوية الصحية والمصابة بالربو. من الجدير بالذكر أنه بينما تم الكشف عن TL1A جنبًا إلى جنب مع سيتوكينات ظهارية أخرى مثل IL-33 و TSLP، لم يتم ملاحظة IL-25 في أي من مجموعات البيانات التي تم تحليلها.
كشفت التحليلات الإضافية في رئات الفئران عن نمط تعبير مشابه لـ TL1A، الذي وُجد في كل من خلايا AT1 و AT2. أكدت تحليل التدفق والتلوين المناعي أن TL1A موجود في خلايا الظهارة الرئوية Epcam+ ولكنه غائب في خلايا الأوعية الدموية CD31+. بالإضافة إلى ذلك، كانت خلايا تعبير TL1A غالبًا ما تقع بالقرب من خلايا تعبير IL-33، مما يشير إلى تفاعل محتمل بين هذه السيتوكينات. بشكل عام، تؤسس هذه النتائج TL1A كعامل سيتوكيني يتم التعبير عنه بشكل مستمر في كل من الظهارة الرئوية البشرية والفئران، مما يساهم في فهمنا لدوره في صحة الجهاز التنفسي والمرض.
المناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون التأثيرات التآزرية لـ TL1A و IL-33 على تنشيط ILC2s الرئوية، مما يؤدي إلى تحفيز نمط ظاهري ILC9 المنتج لـ IL-9. باستخدام نهج بروتيني خالٍ من العلامات على نطاق واسع، حددوا تغييرات كبيرة في البروتيوم لخلايا ILC2s المنشطة بـ IL-33 و TL1A، كاشفين أن 159 بروتينًا تم تعديلها، مع كون IL-9 هو السيتوكين الأكثر تحفيزًا. تسلط الدراسة الضوء على أن مجموعة IL-33 و TL1A لا تعزز فقط إنتاج IL-9 ولكن أيضًا تعزز تعبير عوامل النسخ الرئيسية مثل STAT5 و IRF4 و JunB و BATF، والتي تعتبر حاسمة لتعبير IL-9. يؤكد المؤلفون أن نمط ILC9 يتميز بمستويات عالية من IL-9 وانخفاض مؤقت في GATA3، مما يشير إلى تحول في الحالة الوظيفية لـ ILC2s.
علاوة على ذلك، يظهر المؤلفون الأهمية الفسيولوجية لنتائجهم من خلال التجارب الحية، موضحين أن مجموعة IL-33 و TL1A تزيد بشكل كبير من تكرار ILC2s ذات إنتاج IL-9 العالي في رئات الفئران السليمة. يوضحون دور IL-33 و TL1A كمنبهات ظهارية يتم إطلاقها بسرعة عند التعرض لمسببات الحساسية، وهو أمر ضروري للتحفيز المبكر لـ ILC2s ذات إنتاج IL-9 العالي خلال التهاب الشعب الهوائية التحسسي. تختتم الدراسة بأن العمل التآزري لـ TL1A و IL-33 يعدل مرونة ILC2، مما يؤدي إلى نمط إنتاج متعدد السيتوكينات متميز يلعب دورًا حاسمًا في الاستجابات التحسسية.
DOI: https://doi.org/10.1084/jem.20231236
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38597952
Publication Date: 2024-04-10
Author(s): Pauline Schmitt et al.
Primary Topic: IL-33, ST2, and ILC Pathways
Overview
This section of the research paper highlights the role of epithelium-derived cytokines, particularly TNF-like ligand 1A (TL1A), in type 2 immunity and asthma. The authors demonstrate that TL1A is constitutively expressed in the alveolar epithelium of both mice and humans and acts as an epithelial alarmin. It works in conjunction with interleukin-33 (IL-33) to promote the early induction of IL-9 high innate lymphoid cells type 2 (ILC2s) during the onset of allergic airway inflammation.
The synergistic interaction between IL-33 and TL1A leads to a transient “ILC9” phenotype characterized by high IL-9 and low GATA3 expression in lung ILC2s, which significantly enhances their capacity to produce IL-9. Through a combination of proteomic analyses, lung intravital microscopy, and adoptive transfer studies, the authors reveal that this high IL-9 expression marks a multicytokine-producing state of activated ILC2s, which is crucial for initiating IL-5-dependent allergic airway inflammation. The findings position TL1A as a key epithelium-derived cytokine and an essential cofactor of IL-33 in the pathophysiology of airway inflammation.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of allergic inflammation in diseases like asthma and allergic rhinitis, emphasizing the need to understand the underlying mechanisms that contribute to these conditions. Recent advancements have revealed that airway epithelial cells are crucial in mediating type 2 immunity and asthma. Specifically, these cells release key cytokines, such as interleukin-33 (IL-33) and thymic stromal lymphopoietin (TSLP), in response to various stimuli, which are implicated in the pathogenesis of asthma as supported by genome-wide association studies and clinical trials.
The paper focuses on the IL-33/ST2 pathway, which is activated upon exposure to allergens like Alternaria alternata, leading to the production of IL-5 and IL-13 by lung group 2 innate lymphoid cells (ILC2s) and subsequent eosinophilia. Additionally, the study identifies TL1A, another epithelial cytokine, as a cofactor that works alongside IL-33 to enhance the activation of ILC2s. The authors demonstrate that TL1A is constitutively expressed in lung epithelium and, when synergistically activated with IL-33, induces a unique ILC2 phenotype characterized by high IL-9 production. This finding suggests that IL-33 and TL1A, along with IL-9 high ILC2s, form a potent alarm system that initiates airway inflammation following allergen exposure, thereby contributing to the understanding of allergic inflammatory mechanisms.
Methods
In this study, various mouse models were utilized, including C57BL/6 J wild type, Rag2 -/- mice, Il33 -/- mice, IL-9-eGFP fluorescent reporter mice, and Red5 IL-5 reporter mice, all maintained under specific-pathogen-free conditions. Mice aged 6-12 weeks were randomized into groups for experimentation, with sample sizes specified in figure legends. The study adhered to institutional guidelines and received approval from relevant animal care committees.
For experimental procedures, mice were anesthetized with isoflurane and subjected to intranasal (i.n.) administration of the fungal allergen *A. alternata* (12.5 µg) or recombinant cytokines (IL-33 at 1 µg and TL1A at 5 µg). Lung and bronchoalveolar lavage (BAL) fluid samples were collected at various time points (15 min to 48 h) for subsequent analyses, including flow cytometry, Western blot, qPCR, and ELISA. Additional experiments involved coadministration of function-blocking antibodies against TL1A and IL-2, as well as in vivo imaging of endogenous IL-9 high ILC2s following a regimen of rIL-33 injections to expand lung ILC2 populations.
Results
The results of this study demonstrate that TL1A, an epithelial cytokine, is constitutively expressed in both type 1 (AT1) and type 2 (AT2) alveolar epithelial cells as well as airway basal cells in healthy human lungs. This finding was validated using datasets from the LungMAP Human Lung CellRef single-cell atlas and the Human Cell Atlas, which confirmed TL1A’s expression in both healthy and asthmatic lung epithelium. Notably, while TL1A was detected alongside other epithelial cytokines such as IL-33 and TSLP, IL-25 was not observed in any analyzed datasets.
Further analysis in mouse lungs revealed a similar expression pattern for TL1A, which was found in both AT1 and AT2 cells. Flow cytometry and immunostaining confirmed that TL1A is present in Epcam+ lung epithelial cells but absent in CD31+ endothelial cells. Additionally, TL1A-expressing cells were often located near IL-33-expressing cells, suggesting a potential interaction between these cytokines. Overall, these findings establish TL1A as a constitutively expressed epithelial cytokine in both human and mouse lung epithelium, contributing to our understanding of its role in respiratory health and disease.
Discussion
In this study, the authors investigate the synergistic effects of TL1A and IL-33 on the activation of lung ILC2s, leading to the induction of an IL-9-producing ILC9 phenotype. Using a large-scale label-free proteomic approach, they identified significant changes in the proteome of ILC2s stimulated with IL-33 and TL1A, revealing that 159 proteins were modulated, with IL-9 being the most induced cytokine. The study highlights that the combination of IL-33 and TL1A not only enhances IL-9 production but also promotes the expression of key transcription factors such as STAT5, IRF4, JunB, and BATF, which are crucial for IL-9 expression. The authors confirm that the ILC9 phenotype is characterized by high levels of IL-9 and a transient downregulation of GATA3, indicating a shift in the functional state of ILC2s.
Furthermore, the authors demonstrate the physiological relevance of their findings through in vivo experiments, showing that the combination of IL-33 and TL1A significantly increases the frequency of IL-9 high ILC2s in the lungs of naïve mice. They elucidate the role of endogenous IL-33 and TL1A as epithelial alarmins that are rapidly released upon allergen exposure, which is essential for the early induction of IL-9 high ILC2s during allergic airway inflammation. The study concludes that the synergistic action of TL1A and IL-33 modulates ILC2 plasticity, leading to a distinct multicytokine-producing phenotype that plays a critical role in allergic responses.