Sustained effects of influenza A virus infection on allergic airway inflammation in two mouse models with a focus on macrophages and dendritic cells

Abstract

Allergic asthma is the most common form of bronchial asthma, a frequent chronic inflammatory respiratory disease. It is highly heterogeneous and the predisposing factors, drivers of inflammation and pathomechanisms remain elusive in many points, including the relevance of respiratory infections. Influenza A virus (IAV) is a respiratory virus that can have sustained effects on local immunity. Only few data are available on how these effects modulate allergic airway inflammation (AAI). In the lung, a complex network of macrophages and DC contributes to the induction, regulation and resolution of immune responses. Multiple subsets have been described and there is increasing evidence for their distinct roles in AAI. Further, respiratory viral infections are postulated as the one of the main causes for allergic asthma. This thesis followed the hypothesis, that IAV infection sustainably affects lung macrophages and DC and thereby modulates subsequently induced AAI. Macrophage and DC subsets were comprehensively characterized by spectral flow cytometry in two common mouse models of AAI. Subset- as well as model-specific characteristics with respect to cell numbers and functional marker expression were observed comparing ovalbumin (OVA)-mediated and house dust mite (HDM)-mediated AAI. Significantly increased numbers of alveolar macrophages (AM), CD103+ and CD11b+ DC as well as increased CD80 expression by CD11b+ DC were observed in the HDM model, concurrent with significantly increased levels of lung T cells, B cells as well as respiratory interleukin (IL)-4 and IL-17A, but decreased serum total IgE levels. IAV infection resulted in significantly increased levels of respiratory serum albumin and IL-12p40 levels as well as numbers of AM and interstitial macrophages (IM) 39 days post infection, however without strong effects on the analyzed macrophage and DC subsets. AAI induced after recovery from IAV infection was significantly modulated with regard to decreased total serum IgE levels and Th2 cytokine production. Overall, there was a trend for amelioration of AAI by previous IAV infection, which was AAI model-specific. Taken together, the results of this thesis highlight the importance of model-specific aspects in mouse models of allergic asthma, underline the potential of IAV infections to form long-lasting effects on the lung immune micromilieu and show that resolved infection has the potential to suppress key features of AAI. These data display a valuable basis for future research into IAV-mediated functional alterations in lung macrophages and DC as well as how these shape allergic inflammation in the context of resolved viral infection.

Allergisches Asthma ist eine häufige, chronisch-entzündliche Atemwegserkrankung. Ihre Ausprägung ist sehr heterogen und die prädisponierenden Faktoren, Treiber der Entzündung und Pathomechanismen sind in vielen Punkten, einschließlich der Bedeutung von Atemwegsinfektionen, unklar. Das Influenza-A-Virus (IAV) ist ein häufiges Atemwegsvirus, das langfristige Auswirkungen auf die lokale Immunität haben kann. Hierzu und darüber, wie eine nachfolgend auftretende allergische Atemwegsentzündung (AAI) moduliert wird, gibt es nur wenige klinische und experimentelle Daten. In der Lunge trägt ein komplexes Netzwerk von Makrophagen und dendritischen Zellen (DC) zur Induktion und Regulierung von Immunantworten bei. Es werden jeweils mehrere Untergruppen beschrieben und es gibt zunehmende Belege für ihre Rolle in der AAI. In dieser Arbeit wurde die Hypothese verfolgt, dass eine IAV-Infektion Makrophagen und DC in der Lunge nachhaltig beeinflusst und dadurch eine nachfolgend induzierte AAI moduliert. In zwei Mausmodellen des allergischen Asthmas wurden Makrophagen und DC mittels spektraler Durchflusszytometrie umfassend charakterisiert. Dabei wurden subpopulations- und modellspezifische Merkmale beobachtet. Im Vergleich zu einem Ovalbumin-vermittelten Modell wurde in einem Hausstaubmilben-vermittelten Modell eine signifikant verstärkte Akkumulation von Alveolarmakrophagen (AM), CD103+ und CD11b+ DC sowie eine verstärkte Expression von CD80 auf CD11b+ DC bei gleichzeitig signifikant erhöhten respiratorischen T- und B Zellzahlen sowie Interleukin (IL)-4- und IL-17A-Spiegeln, aber reduziertem Gesamt-IgE-beobachtet. Die durchgemachte Infektion mit IAV führte nach 39 Tagen zu signifikant erhöhten Serumalbumin- und IL-12p40-Spiegeln in der BAL sowie zu einer signifikant erhöhten Anzahl von AM und interstitiellen Makrophagen in der Lunge, wobei deren einzelne Subpopulationen kaum verändert waren. In der nachfolgend induzierten AAI zeigte sich in Bezug auf den Gesamt-IgE-Spiegel im Serum und die Th2- Zytokinproduktion eine signifikante Modulation. Insgesamt zeigte sich ein teilweise modell-anhängiger Trend zur Abschwächung der AAI durch eine vorangegangene IAV-Infektion. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung modell-spezifischer Beobachtungen in der Erforschung des allergischen Asthmas. Weiter verdeutlichen sie das Potenzial von IAV-Infektionen, langanhaltende Auswirkungen auf die Lunge zu vermitteln und zeigen, dass die durchgemachte Infektion Mechanismen der allergischen Entzündung unterdrücken kann. Diese Daten stellen eine Grundlage für künftige Forschungen zu funktionellen Veränderungen von pulmonalen Makrophagen und DC nach IAV Infektion und wie diese die allergische Entzündung unterdrücken können, dar.