The role of nitric oxide controlling intracellular pathogen, a link between proliferation inhibition and permissive host cell recruitment

Abstract

Nitric Oxide (NO), which is produced by the inducible NO synthase (iNOS), has a well-established antimicrobial effects mediated by multiple mechanisms, such as direct killing, or inhibition of pathogen growth. Besides these cellular defense function, NO can prevent unnecessary tissue damage by shutting down the recruitment of monocyte-derived phagocytes. Intracellular pathogens such as Leishmania major (L. major) can hijack these cells as a niche for replication. Thus, NO might contain intracellular pathogens by restricting the availability of the cellular niche required for efficient pathogen proliferation. Whether pathogen growth is directly inhibited by NO, or whether this is a consequence of the lack of proliferation-permissive host cells had however remained unclear. In order to define the exact mode of action of NO on L. major containment, we fitted our experimental data on the course of infection with ordinary differential equation (ODE) models, which predicted that killing of the pathogen, and not immediate proliferation inhibition, is the dominant mechanism exerted directly by iNOS on the pathogen. Using an in vivo proliferation reporter L. major strain, we were however able to show iNOS inhibition effect on the proliferation, which could be reversed by antibody-dependent blocking of monocyte recruitment. This shows that iNOS inhibition increases pathogen growth indirectly due to higher monocyte recruitment. Moreover, injection of monocytes to a site of infection, but not neutrophil recruitment, increased pathogen burden, indicating that depending on the phenotype of an inflammation, late-stage persistent infections with L. major can be reactivated through phagocyte recruitment. Therefore, NO fulfills two distinct functions for L. major containment: direct killing and restriction of a supply of proliferation-permissive host cells. In a second part of the thesis, we investigated the time course of, and impact of iNOS inhibition on, the expression of coinhibitory receptors by effector and regulatory T cells populations.

Stickstoffmonoxid (NO), das von der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) produziert wird, hat eine antimikrobielle Wirkung, die durch mehrere Mechanismen vermittelt wird, beispielsweise durch direkte Abtötung oder Hemmung des Erregerwachstums. Neben dieser zellulären Abwehrfunktion kann NO unnötige Gewebeschäden verhindern, indem es die Rekrutierung von Monozyten an eine infektionsstelle hemmt. Intrazelluläre Krankheitserreger wie Leishmania major (L. major) können diese Zellen als Nische für ihre Vermehrung nutzen. NO könnte also intrazelluläre Pathogene eindämmen, indem es die Verfügbarkeit der zellulären Nische einschränkt, die für eine effiziente Pathogenvermehrung erforderlich ist. Ob das Wachstum von Pathogenen direkt durch NO gehemmt wird oder ob dies eine Folge der Reduktion von Wirtszellen ist, in denen L. major proliferieren kann, blieb jedoch unklar. Um die genaue Wirkungsweise von NO bei der Kontrolle von L. major zu bestimmen, haben wir unsere experimentellen Daten zum Infektionsverlauf mit Differentialgleichungsmodellen abgeglichen, die vorhersagen, dass die Abtötung des Erregers und nicht die unmittelbare Proliferationshemmung der dominierende Mechanismus ist, der direkt von iNOS auf den Erreger ausgeübt wird. Unter Verwendung eines in-vivo-Proliferationsreporterstammes von L. major konnten wir jedoch eine iNOS-hemmende Wirkung auf die Proliferation nachweisen, die durch eine antikörperabhängige Blockierung der Monozytenrekrutierung aufgehoben werden konnte. Dies zeigt, dass eine Hemmung von iNOS das Erregerwachstum indirekt durch eine höhere Monozytenrekrutierung erhöht. Darüber hinaus erhöhte die Injektion von Monozyten an eine Infektionsstelle, nicht aber die Rekrutierung von Neutrophilen, die Erregerlast, was darauf hindeutet, dass je nach Phänotyp einer Entzündung persistierende Infektionen mit L. major im Spätstadium durch die Rekrutierung von Phagozyten reaktiviert werden können. NO erfüllt also zwei unterschiedliche Funktionen bei der Eindämmung von L. major: Eine direkte Abtötung des Pathogens einerseits, und Einschränkung der verfügbaren Wirtszellen, die Proliferation erlauben, andererseits. In einem zweiten Teil der Arbeit untersuchten wir den zeitlichen Verlauf und die Auswirkungen einer Hemmung von iNOS auf die Expression von koinhibitorischen Rezeptoren bei Effektor- und regulatorischen T-Zellpopulationen.