Epidermal Reactions to Injury with Implications for Innate Immunity

Abstract

Abstract

The epidermis is one of our primary interfaces towards the external milieu. Following injury, the physical barrier function of the skin is destroyed and the epidermis is left vulnerable to microbial invasion. Inducible innate immune response mechanisms exist to keep the wound site free from infection, thus allowing the wound to heal and the epidermis to re-establish its barrier function. The main focus of the present thesis has been to investigate the regulatory mechanisms of some of these responses. In paper I we present an injury-induced mechanism for increasing the production of antimicrobial peptides (AMPs) in the skin mediated by the epidermal growth factor receptor (EGFR) transactivation process. In paper II we further highlight the importance of this mechanism by demonstrating that it is responsible for the bulk of the expression of the AMPs known to be induced in epidermis during the proliferative phase of wound healing. In addition we show that the EGFR-mediated increase in interleukin-8 (IL-8) production represents the primary source of chemotactic activity towards neutrophils generated in injured human epidermis. Thus a novel molecular link between cutaneous injury and neutrophil accumulation is provided. In paper III we disclose a possible role of the prion protein as an AMP in host defense, based on its antimicrobial properties and EGFR-dependent induction in response to injury. In paper IV we furthermore report an increased expression of several protease inhibitors during wound healing and a change in gene expression in the epidermal tissue representing a shift in the apoptotic balance. The shift indicates a reduced sensitivity to the extrinsic pathway of apoptosis and concomitantly, an apparently increased sensitivity to the intrinsic pathway of apoptosis. Taken together we hypothesize that this represents an epidermal response to cope with the external detrimental effects of inflammation while safeguarding itself against the increased risk of malignant transformation accompanying the increased proliferation. Finally we identify a highly significant overrepresentation of transcription factor binding sites for forkhead box O1 (FOXO1), FOXO4 and STAT5A, in the most differentially expressed genes in injured skin. This indicates, for the first time, that these transcription factors might play a major role in the wound healing process.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En värld av mikrober

Vi lever i en värld full av olika bakterier och svampar, så kallade mikrober. Med tanke på artrikedomen och mängden av infektiösa mikrober vi dagligen kommer i kontakt med kan det nästan tyckas som ett smärre mirakel att vi trots allt är så friska som vi är. Detta är dock nästan helt och hållet vårt medfödda immunförsvars förtjänst. Immunförsvaret kan delas in i det förvärvade (adaptiva) och det medfödda immunförsvaret. Dock är distinktionen mellan dem ibland svår att göra eftersom de till stor del är integrerade med varandra och fungerar som en helhet. Det adaptiva immunförsvaret är uppbyggt kring antikroppar och immunologiskt minne och är en viktig förstärkning av det medfödda försvaret. Den här avhandlingen har främst fokuserat på det medfödda immunförsvaret i epidermis, de fem yttersta lagren av huden, och epidermis produktion av antimikrobiella peptider i synnerhet.



Epidermis

Vår yttersta fysiska barriär mot omvärlden utgörs av epidermis. En av epidermis mycket viktiga uppgifter är att hålla omgivningens mikroorganismer åtskilda från den sårbara underliggande vävnaden och på så vis förhindra infektion. Epidermis är emellertid inte bara en fysisk barriär utan utgör även en kemisk barriär vilket gör den ytterst svårgenomtränglig för bakterier och svampar. Det låga pH som råder i epidermis gör det besvärligt för bakterier att växa och etablera sig, vidare producerar hudceller antimikrobiella peptider och fetter som ytterliggare försvårar överlevnaden för mikrober. Ännu en viktig mekanism är epidermis förmåga att ständigt förnya sig självt. Genom celldelning i de understa lagren fylls de övre lagren ständigt på. Cellerna utmognar successivt medan de rör sig upp genom de olika lagren tills de slutar som döda, platta, hårt packade och sammanlänkade hornceller i det yttersta hornlagret. I takt med att horncellerna flagnar av fylls de på underifrån. Detta gör det ännu svårare för mikroorganismer att få fäste i huden. Vid sårskada i huden förstörs emellertid den fysiska barriären med en ökad risk för infektion som följd. Kroppen har därför utvecklat flera försvarssystem för att förhindra infektioner och därmed ge vävnaden och huden tid och chans att reparera sig och återupprätta barriärfunktionen. Att dessa försvarssystem samt förmågan att läka en sårskada fungerar är livsviktigt för oss människor. Hos diabetespatienter och andra patientgrupper med försämrad blodcirkulation samt hos svårt brännskadade är hudens läkningsförmåga nedsatt och patienten har även en ökad infektionskänslighet. För att kunna förbättra behandlingsmöjligheterna vid svårläkta sår är det viktigt att studera hur huden normalt reagerar vid sårskada.



Sårläkning i korthet

Vid akut sårskada koagulerar blodet och bildar en blodpropp som förhindrar fortsatt blodförlust. Vita blodkroppar, i huvudsak neutrofiler som är specialiserade på att äta och oskadliggöra mikroorgansismer, anländer snabbt till det skadade området. Dessa bryter ner skadad vävnad och håller såret fritt från mikroorganismer. För att städa upp efter neutrofilerna som efter ett tag börjar självdö rekryteras en annan typ av vita blodkroppar kallade makrofager. Dessa äter upp döende neutrofiler och de sista resterna av skadad vävnad. Samtidigt och innan makrofagerna lämnar såret utsöndrar de och andra celler protein, så kallade tillväxtfaktorer. Tillväxtfaktorerna sätter igång en ökad celldelning i huden vilket slutligen leder till att sårskadan återigen täcks av hudceller och att hudbarriären återskapas.



Vad sätter igång produktionen antimikrobiella peptider?

Förutom skyddet från de vita blodkropparna har forskning kring sårläkningsprocessen även påvisat att epidermis och hudcellerna ökar produktionen av antimikrobiella peptider som utgör en viktig del i försvaret mot mikroorganismer. I arbetet med denna avhandling har vi försökt utreda vad det är som sätter igång denna produktion i hudceller samt hur epidermis i övrigt reagerar i samband med sårskada. Då den övervägande delen av antimikrobiella peptider ifrån epidermis produceras först efter att neutrofilerna anlänt har den allmänna uppfattningen varit att det är neutrofilerna som sätter igång den ökade produktionen i hudcellerna. Våra data visar dock att hudcellerna, till skillnad från vad man tidigare trott, reagerar direkt på själva sårskadan. Sårskada leder till en aktivering av en receptor kallad epidermala tillväxt receptorn (EGFR) på ytan av hudcellerna vid sårkanten. I våra studier ser vi att sårskadan i sig via EGFRaktivering faktiskt står för merparten av den ökade produktionen av antimikrobiella peptider i huden.



Antimikrobiella peptider bildar eftertrupp

Hudens ökade produktion av antimikrobiella peptider vid sårskada har ansetts vara en snabb försvarsmekanism. När vi studerat sårläkningsförloppet fann vi emellertid att de flesta av hudens producerade antimikrobiella peptider når bakteriedödande koncentrationer först efter två till fyra dygn. Således menar vi att denna mekanism snarare bör ses som en förstärkning av hudens försvar. När de vita blodkropparna lämnar såret är den skadade hudbarriären ännu inte helt återställd och risken för infektion kvarstår. Det är nu antimikrobiella peptider producerade i huden når högst koncentrationer och kan ge huden skydd medan barriären återetableras.



Återuppbyggnad

EGFR-aktivering är sedan tidigare känd för att vara involverad i återuppbyggnaden av hudskada genom att öka celldelningen av hudceller vilket är en förutsättning för att snabbt kunna täcka sårbädden. Vi visar även att EGFR-aktiveringen indirekt bidrar till celldelning via en ökad produktion av andra tillväxtfaktorer. Vidare fann vi att EGFR-aktivering även leder till en ökad produktion av proteiner som behövs för att bygga upp den yttre hudbarriären.



Hudceller rekryterar vita blodkroppar

Hudcellerna är alltså vid sårskada fullt kapabla att själva sätta ingång både hudens återuppbyggnadsprocess samt en ökad produktion av antimikrobiella peptider utan att bli aktiverade av neutrofiler. Vi fann att hudcellerna, till skillnad från vad som visats i tidigare studier även ansvarar för en stor del av rekryteringen av neutrofiler. Detta sker genom en ökad produktion av ett så kallat kemotaktiskt protein som lockar till sig neutrofiler. Även produktionen av detta protein visade sig vara beroende av EGFR aktivering.



Sammanfattning

Sårskada är i sig självt ett kraftfullt stimuli som via EGFR-aktivering i epidermis leder både till rekrytering av neutrofiler samt till en ökad produktion av antimikrobiella peptider. De antimikrobiella peptiderna skyddar den läkande sårbädden efter att de vita blodkropparna återgått till blodbanan. EGFRaktiveringen påskyndar även återskapandet av hudbarriären genom att sätta fart på celldelningen och genom att öka uttrycket av protein som bygger upp det yttersta lagret i huden. En ökad förståelse för hur den normala sårläkningsprocessen går till skulle i förlängningen kunna leda fram till förbättrade behandlingsstrategier för patienter med nedsatt sårläkningsförmåga. Min förhoppning är att denna avhandling kan bidra med en del av den kunskap som behövs för att nå det målet.

• author: Roupé, Markus
• supervisor: Ole E Sørensen; Arne Egesten
• opponent: Professor Hiemstra, Pieter S., Department of Pulmonology, Leiden University Medical Centre, The Netherlands
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2009
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: Innate immunity, epidermis, Wound healing, interleukin-8, Antimicrobial peptides
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2009:91
• pages: 158 pages
• defense location: Lundmarksalen, Astronomihuset, Sölvegatan 27, Lund
• defense date: 2009-10-16 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86253-79-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a6220285-549b-4e9d-a4bb-4a2786529977 (old id 1480465)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:40:58
• date last changed: 2019-05-22 02:48:28