The role of mast cell-derived tumor necrosis factor in the resolution of hapten-induced skin inflammation

Abstract

Allergic contact dermatitis (ACD) is a common inflammatory skin disease based on delayed type T cell-dependent hypersensitivity reactions. In recent years, Anne Dudeck and colleagues have demonstrated a key role of mast cells (MCs) in initiating both innate and adaptive immune responses during contact hypersensitivity (CHS)-induced skin inflammation, a mouse model for ACD [1]. For instance, MCs critically promote the maturation and migration of dendritic cells via the release of tumor necrosis factor (TNF) and consequently, the priming of CD8+ T cells during CHS sensitization [2]. Intriguingly, they also found that in the absence of MC-derived TNF, although ear swelling as a measure for inflammation was initially reduced, skin thickness did not normalize at later time points. This suggests a novel role for MCs in the resolution of CHS. Based on this, the aim of this thesis was to elucidate the mechanisms underlying MC derived TNF effects on the resolution of CHS. In line with the reduced ear swelling, skin numbers of monocytes and CD8+ T cells were strongly decreased in the absence of MC derived TNF in the acute phase. Interestingly, key processes during the transition from inflammation to resolution including the downregulation of chemokine production, the cessation of leukocyte infiltration, and the induction of neutrophil apoptosis were not affected by the absence of MC-derived TNF, indicating that the persistent ear swelling was not linked to a chronification of inflammation. However, a strong reduction in skin protein levels of matrix metalloproteinases (MMP)-8 and proMMP-9, both produced by monocytes, was observed. Conversely, there was an increase in the amount of collagen I, suggesting that the persistent ear swelling in the absence of MC-derived TNF might be attributed to an altered tissue recovery. Importantly, the adoptive transfer of primed CD8+ T cells rescued monocyte skin infiltration in the acute phase, indicating an indirect effect of MC-derived TNF on monocyte recruitment via the adequate priming of CD8+ T cells during the sensitization phase. Moreover, the restoration of monocyte skin infiltration also prevented the ear swelling at later time points of CHS in the absence of MC-derived TNF, thereby suggesting a connection between the early recruitment of monocytes and the induction of an effective resolution program. Finally, I examined whether these findings are clinically relevant in the context of anti-TNF therapies, which are used for the therapy of autoimmune diseases. Indeed, the complete depletion of TNF before CHS sensitization resembled the inflammatory course observed in the absence of MC-derived TNF, suggesting a potential side effect of TNF inhibitors in the context of ACD. In summary, the data obtained in this thesis reveal an intricate series of cellular events initiated by MC-derived TNF that is essential for adequate tissue recovery. Importantly, these findings are clinically relevant in the context of anti-TNF therapies, which efficiently inhibit acute inflammation, but may affect tissue remodeling in late phases or long term.

Die allergische Kontaktdermatitis (AKD) ist eine häufig auftretende Hauterkrankung, die auf T-Zell-abhängigen Überempfindlichkeitsreaktionen vom verzögerten Typ basiert. In den letzten Jahren konnten Anne Dudeck und Kollegen eine Schlüsselrolle von Mastzellen (MZ) bei der Initiierung sowohl angeborener, als auch adaptiver Immunreaktionen im Rahmen der contact hypersensitivity (CHS)-induzierten Hautentzündung, einem Mausmodell der AKD, zeigen [1]. So fördern MZ durch die Freisetzung von Tumornekrosefaktor (TNF) die Reifung und Migration dendritischer Zellen und nachfolgend das Priming von CD8+ T-Zellen während der Sensibilisierungs phase [2]. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass in Abwesenheit des TNFs von MZ die Ohrschwellung als Maß für die Entzündung zwar anfänglich reduziert war, sich jedoch später nicht normalisierte. Diese Ergebnisse deuten auf eine neuartige Rolle von MZ bei der Auflösung der CHS hin. Basierend darauf war das Ziel dieser Arbeit, die Mechanismen zu klären, durch die das TNF von MZ die Auflösung der CHS fördert. Übereinstimmend mit der verringerten Ohrschwellung konnte eine reduzierte Anzahl von Monozyten und CD8+ T-Zellen in der Haut während der akuten Phase in Abwesenheit des TNFs von MZ gezeigt werden. Interessanterweise wurden frühe Prozesse während des Übergangs von der akuten Entzündung zur Auflösung, wie die Abnahme der Chemokinproduktion, die Beendigung der Leukozyteneinwanderung und die Induktion der Neutrophilen Apoptose, durch die Abwesenheit des TNFs von MZ nicht beeinflusst. Dies weist darauf hin, dass die anhaltende Ohrschwellung nicht mit einer Chronifizierung der Entzündung verbunden war. Jedoch wurde eine deutlich reduzierte Konzentration der Matrix-Metalloproteinasen (MMP)-8 und proMMP-9 festgestellt, die beide von Monozyten produziert werden. Im Gegensatz dazu nahm die Menge an Kollagen I zu. Dies deutet daraufhin, dass die anhaltende Ohrschwellung in Abwesenheit des TNFs von MZ möglicherweise auf eine veränderte Geweberegenerierung zurückzuführen ist. Die Monozyten-Infiltration in die Haut während der akuten Phase konnte durch einen adoptiven Transfer von geprimten CD8+ T-Zellen wiederhergestellt werden. Somit beeinflusst das von MZ freigesetzte TNF indirekt die Monozyten-Rekrutierung, indem es das ädaquate Priming von CD8+ T-Zellen während der Sensibilisierung vermittelt. Die Wiederherstellung der Hautinfiltration von Monozyten verhinderte auch die Ohrschwellung zu späteren Zeitpunkten der CHS in Abwesenheit des TNFs von MZ. Dies deutet auf einen Zusammenhang zwischen der frühen Rekrutierung von Monozyten und der Induktion eines effektiven Auflösungsprozesses hin. Schließlich wurde untersucht, ob diese Ergebnisse im Hinblick auf Anti-TNF-Therapien, die zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden, klinisch relevant sind. Tatsächlich ähnelte der Entzündungsverlauf nach vollständiger Depletion von TNF vor der Sensibilisierung dem, der in Abwesenheit des TNFs von MZ beobachtet wurde. Zusammenfassend zeigen die vorliegenden Daten eine komplexe Abfolge von zellulären Ereignissen, die durch das von MZ freigesetzte TNF ausgelöst werden und für eine adäquate Gewebe-Regeneration unerlässlich sind. Diese Ergebnisse sind von klinischer Relevanz im Hinblick auf Anti-TNF-Therapien, welche die akute Entzündung zwar effektiv hemmen, jedoch später möglicherweise den Auflösungsprozess beeinflussen.