Modulation of allergic airway inflammation by Staphylococcus aureus enterotoxin B in a mouse model

Abstract

Approximately 60 % of adult asthmatics and the majority of asthmatic children suffer from allergic asthma. Allergic asthma is typically characterized by a Th2-dominated immune response towards an aeroallergen. Over the last decade, nasal colonization with S. aureus has been recognized as a risk factor for allergic asthma. In this context, amongst others, especially staphylococcal enterotoxin B (SEB) came into focus. SEB is usually associated with a pro inflammatory type 1 immune response. However, recently it was shown that the production of SEB is associated with several atopic diseases, including allergic asthma. The underlying mechanisms remain elusive. In this thesis, in order to comprehensively investigate the effects of intranasal (i.n.) SEB on allergic airway inflammation (AAI), a suited ovalbumin (OVA)-mediated mouse model of AAI was established. The first aim was then to examine the influence of i.n. SEB on AAI in a time and dose-dependent manner in this model. For this, i) 50 ng or 500 ng SEB were i.n .administered during the allergic OVA-challenge ii) 50 ng or 500 ng SEB were i.n. administered prior to allergic sensitization. Treatment effects on AAI were analyzed with respect to hallmark features such as IgE production, respiratory cells and cytokines. The i.n. administration of 50 ng SEB during the allergic challenge significantly increased absolute numbers of dendritic cells, M2-monocytes/macrophages, T cells and activated B cells in the lung as compared to AAI alone. Strikingly, the administration of 500 ng SEB during the allergic challenge ameliorated allergic features by significantly decreasing airway hyperreactivity and reducing eosinophil counts in the lung, while significantly increasing airway concentrations of pro-inflammatory cytokines (IFN-γ, IL-6, TNF-α). Surprisingly, i.n. administration of 50 ng SEB prior to allergic sensitization increased OVA-specific IgE-production, while administration of 500 ng SEB before allergic sensitization ameliorated AAI by significantly decreasing eosinophil counts in the lung and bronchoalveolar lavage (BAL), as well as significantly decreasing concentrations of IL-4, IL-5 and IL-6 in the BAL. Based on these results, the aim of the second part of this thesis was to elucidate the kinetics and long-term effects of i.n. administration of 50 ng or 500 ng SEB on cellularity, lymphocyte activation and cytokine production in the respiratory tract. Administration of 50 ng SEB resulted in significantly increased absolute numbers of granulocytes and activated lymphocytes up to seven days after treatment. Concentrations of pro-inflammatory and type 2 cytokines were significantly increased after seven days in the BAL. The i.n. administration of 500 ng SEB showed similar effects. However, total cell numbers, as well as absolute numbers of eosinophils and IL-13 concentrations were significantly increased in the BAL up to 14 days after the last i.n. SEB treatment. Taken together, these results indicate a strong and exceptionally versatile potential of SEB to modulate AAI in a time and dose-dependent manner. Furthermore, i.n. administration of SEB alone showed long-lasting effects on the respiratory immune milieu. These data display a basis for future research towards SEB-targeted strategies of prevention and therapy, especially in the light of the large number of S. aureus carriers and patients suffering from allergic asthma in the human population.

Allergisches Asthma betrifft ca. 60 % der erwachsenen Asthmatiker und die Mehrheit der an Asthma erkrankten Kinder. Es ist charakterisiert durch eine Th2-dominierte Immunantwort gegen ein Aeroallergen und auch die nasale Besiedelung mit S. aureus wird heute zu den Risikofaktoren gezählt. Unter anderem das S. aureus-Protein Staphylococcus Enterotoxin B (SEB) rückte diesbezüglich in den Fokus. SEB wird typischerweise mit einer proinflammatorischen Typ-1-Immunantwort assoziiert. Allerdings wird die Produktion von SEB mit atopischen Erkrankungen, auch dem allergischen Asthma, in Verbindung gebracht. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher nicht bekannt. In dieser Arbeit wurde zunächst, um Auswirkungen von intranasal (i.n.)-verabreichtem SEB auf eine allergische Atemwegsentzündung (allergic airway inflammation, AAI) zu untersuchen, ein geeignetes Ovalbumin (OVA)-vermitteltes Mausmodell für AAI etabliert. Erstes Ziel dieser Arbeit war es dann, den zeit- und dosisabhängigen Einfluss von SEB in diesem Modell zu untersuchen. Hierzu wurden i) 50 ng oder 500 ng SEB während der allergischen OVA-Provokation i.n. verabreicht ii) 50 ng oder 500 ng SEB vor der Sensibilisierung i.n. verabreicht. SEB-vermittelte Effekte wurden anhand verschiedener Parameter wie IgE-Produktion, Zellrekrutierung und Zytokinen untersucht. Verglichen mit AAI erhöhte die Verabreichung von 50 ng SEB während der Provokation die absolute Zellzahl von dendritischen Zellen, M2-Monozyten/Makrophagen, T-Zellen und aktivierten B-Zellen in der Lunge signifikant. Die Verabreichung von 500 ng SEB während der allergischen Provokation hingegen schwächte verschiedene Charakteristika der AAI signifikant ab (Hyperreaktivität der Atemwege, Eosinophilenzahl), während die Konzentrationen von proinflammatorischen Zytokinen (IFN-γ, IL-6, TNF-α) signifikant erhöht waren. Unerwarteterweise erhöhte die i.n. Gabe von 50 ng SEB vor der Sensibilisierung die OVA-spezifische IgE-Produktion, während die Verabreichung von 500 ng SEB vor der Sensibilisierung die Eosinophilenzahl in Lunge und bronchoalveolärer Lavage (BAL) sowie die Konzentrationen von IL-4, -5 und -6 in der BAL signifikant verringerte. Basierend auf diesen Ergebnissen war das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit, die Kinetik und langfristige Auswirkungen der i.n. Gabe von 50 ng oder 500 ng SEB auf Zellrekrutierung, -aktivierung und Zytokinproduktion in den Atemwegen zu untersuchen. Die Gabe von 50 ng SEB führte bis 7 Tage nach der letzten Behandlung zu signifikant erhöhten Zahlen von Granulozyten und aktivierten Lymphozyten in der Lunge. Auch die Konzentrationen von proinflammatorischen Zytokinen und Typ-2-Zytokinen waren nach 7 Tagen signifikant erhöht. Die Gabe von 500 ng SEB zeigte ähnliche Effekte. Allerdings waren die Gesamtzellzahl, die Eosinophilenzahl und die IL-13-Konzentration in der BAL bis zu 14 Tage nach der SEB-Behandlung signifikant erhöht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein außergewöhnlich vielseitiges Potenzial für SEB, das respiratorische Immunmilieu langanhaltend zu beeinflussen sowie AAI zeit- und dosisabhängig zu modulieren. Diese Daten können eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen bezüglich gezielter Strategien der Prävention und Therapie des allergischen Asthmas bieten, insbesondere angesichts der hohen S. aureus Besiedlungsrate und der großen Zahl an Patienten mit allergischem Asthma.