Mechanisms of Escherichia coli induced transepithelial neutrophil migration

Abstract

Mucosal infections trigger an inflammatory response that includes the secretion of cytokines and the recruitment of neutrophils to the infected site. This thesis describes studies examining the molecular mechanisms of neutrophil migration to sites of mucosal bacterial infection.



Escherichia coli (E. coli) infection of epithelial cell layers stimulates chemokine secretion and chemokine receptor expression. Human epithelial cells produced an array of CXC chemokines (e.g., IL-8, GRO, ENA-78, IP-10, MIG) and CC chemokines (e.g., MCP-1, MIP, RANTES) in response to bacterial infection. The chemokine repertoire was shown to be influenced by the fimbrial expression of the infecting strain. Furthermore, E. coli infection increased the expression of chemokine receptors (CXCR1 and CXCR2) on epithelial cells. IL-8 was found to be the major chemoattractant involved in neutrophil migration across infected epithelial cell layers. Transuroepithelial neutrophil migration was also shown to be depending on the level of CXCR1 expression on neutrophils and epithelial cell layers.



The in vitro observations were confirmed in an experimental UTI model. Recombinant P or type 1 fimbriated E. coli stimulated chemokine responses and neutrophil recruitment more efficiently than the non-fimbriated controls. The relevance of IL-8 receptor expression was confirmed in vivo using IL-8 receptor knock-out (mIL-8Rh KO) mice. E. coli infection of mIL-8Rh KO mice caused the neutrophils to leave the blood vessels but they were unable to cross the epithelium and accumulated in the tissues. Bacterial clearance was impaired and tissues were destroyed. Subsequent human studies showed a decrease in CXCR1 expression on neutrophils from patients prone to acute pyelonephritis.



These results provide a first molecular clue to the host defect in patients prone to acute pyelonephritis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Huden och slemhinnor (mukosa) fungerar som kroppens skyddsbarriärer mot yttre angrepp av mikrober, makromolekyler och toxiner och förhindrar dessa att nå inre organ. Trots ett massivt immunskydd sker de flesta infektioner på slemhinnornas ytor. I blodcirkulationen förekommer fem olika typer av vita blodkroppar, alla med olika roller i immunförsvaret. I varje blod finns ungefär 5000 miljoner vita blodkroppar. Det finns mest av neutrofiler, som är viktiga i kampen mot bakterieinfektioner och de första som tar sig till ett inflammationsställe. En infektion leder till att cellerna i mukosan skickar ut signaler i kroppen för att kalla på hjälp. Dessa signaler består av proteiner, sk cytokiner (t ex IL-6, IL-1, TNF) och kemokiner (t ex IL-8, ENA-78, MCP-1), som gör att kroppens temperatur höjs och att neutrofiler lämnar blodbanorna för att bege sig till infektionsstället. Bakterier som orsakar dessa infektioner har utvecklat mekanismer, sk virulensfaktorer, som gör det möjligt för dem att överlista kroppens infektionsförsvar. Inbindningen av bakterier till slemhinnecellernas ytor är ett viktigt steg i infektionsprocessen och sker med hjälp av långa, utstickande organeller, sk fimbrier. Escherichia coli (E. coli) är den bakterie som orsakar ca 80% av alla urinvägsinfektioner (UVI). Den är beväpnad med adhesionsfaktorer (P och typ 1 fimbrier), toxiner (LPS, hemolysin) och invasionsfaktorer som bidrar till en lyckad kolonisering av urinblåsa och njure. Vid en urinvägsinfektion sker ett massivt neutrofilinflöde in i urinen inom loppet av någon timma. Detta kallas pyuria och har används som en diagnostisk parameter sedan början av 1900-talet. Neutrofilerna följer en signal av kemokiner genom vävnaden över mukosan till infektionsstället.



Studier som ingår i denna avhandling har visat att en E. coli infektion i en urinvägsmodell leder till utsöndring av kemokinen interleukin-8 (IL-8) och en snabb neutrofilmigration. Det fanns ett samband mellan neutrofilmigration och IL-8 sekretion som väckte vår nyfikenhet. Genom att blockera IL-8 med antikroppar kunde vi observera en fullständig hämning av bakteriestimulerad neutrofilmigration över njurmukosan, vilket innebär att IL-8 var den viktigaste neutrofilattraktanten i denna process. Dessa studier på cellkulturer överrenstämde väl med observationer från patienter med UVI, hos vilka IL-8 halten i urinen korrelerade med neutrofilantalet. Infektionen stimulerade alltså cellerna till att producera IL-8 och en kemotaktisk gradient bildades som förde neutrofiler från blodbanorna till infektionsstället.



Vi undersökte vidare vilka olika effekter de molekyler, som är viktiga för att E. coli skall kunna binda in till slemhinnan, hade på urinvägarnas infektionsförsvar. De båda typerna av adhesionsmolekyler, P och typ 1 fimbrier, binder till olika kolhydratstrukturer på cellytorna och kan därmed ge olika respons. Inbindning av de båda fimbrietyperna ledde till en ökad neutrofilmigration och IL-8 utsöndring i jämnförelse med kontroller som inte uttryckte fimbrier. Dessa observationer bekräftades i en mus UVI modell där infektion med P och typ 1 fimbrierade bakterier i urinblåsa stimulerade ett högre kemokinsvar och neutrofilinflöde i urin jämnfört med ofimbrierade kontrollbakterier. IL-8 binder till två receptorer, CXCR1 och CXCR2, vid skapandet av en kemotaktisk gradient. Neutrofiler och njurceller uttrycker både CXCR1 och CXCR2 och under en E. coli infektion ökade uttrycket av dessa på cellytan. Genom att blockera receptorerna med antikroppar kunde vi även se att CXCR1 är den viktigaste receptorn för neutrofil migration över infekterade cellager eftersom blockering av denna hämmade denna process. Resultatet av dessa försök ledde till studier i möss som inte kunde uttrycka någon IL-8 receptor (mIL-8Rk KO). Urinvägsinfektion i dessa avslöjade att neutrofilerna kunde ta sig från blodbanorna ut i vävnaden, men att de inte kunde komma över mukosan till infektionsstället. Detta dåliga mukosala försvar medförde att bakterierna kunde växa till sig ohämmat i urinvägarna med njurskador som följd. Dessa observationer fick oss att undersöka om samma fenomen kunde leda till en ökad benägenhet för njurinflammationer i patienter. När vi undersökte uttrycket av CXCR1 och CXCR2 på neutrofiler från barn med UVI visade det sig att dessa barn hade ett lägre uttryck av just CXCR1 på sina neutrofiler jämfort med friska barn. Vad detta beror på vet vi inte ännu, men chansen att hjälpa dessa patienter i framtiden har ökat med dessa nya kunskaper.

• author: Godaly, Gabriela
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Cornelis, Guy R., University of Louvain, Bruxelles, Belgium
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, UTI, mucosa, cytokine receptors, inflammation, neutrophils, chemotaxis, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 183 pages
• defense location: GK-room (BMC), Sölvegatan 23
• defense date: 2000-05-11 09:00:00
• external identifiers: other:ISNR: LUMEDW/MEMG-0008-SE
• ISBN: 91-628-4049-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: cebc00d6-3e9b-44bd-840a-2bd64d7ee977 (old id 40437)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:19:41
• date last changed: 2018-11-21 21:04:07