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Role of lipopolysaccharide in pulmonary inflammation and fibrosis : an in vitro study

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2010

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Rolle von Lipopolysaccharid in Lungenentzündung und Fibrose eine in vitro Untersuchung
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Dissertation
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Zusammenfassung

The contribution of airway epithelial cells to the innate immune response in the lung has been a focus of recent interest. A human mixed co-culture system of lung epithelial cell line A549 and primary peripheral blood mononuclear cells (PBMC) allowed us to study modulation of IL-1b, TNF-a, IL-6 and IL-8 expression triggered by lipopolysaccharide (LPS), staphylococcal enterotoxin B (SEB) and peptidoglycan (PGN) in comparison to respective monocultures. All immune stimuli induced significantly less TNF-a and much higher IL-6 release in co-cultures compared to PBMC alone. IL-1b release was stimulus-dependent: down-regulated upon LPS, up-regulated upon PGN and not affected upon SEB stimulation. IL-8 amounts were significantly increased in LPS and PGN-stimulated co-cultures and slightly increased upon SEB stimulation. Transwell experiments showed that LPS-induced cytokine modulation in co-culture is triggered by soluble factors. Using neutralizing IL-1b antibody we demonstrated that PBMC-derived IL-1b mediates augmented IL-6 and IL-8 production in LPS-stimulated co-cultures. A still unknown soluble factor in conditioned supernatant of resting A549 cells was shown to down-regulate TNF-a release by PBMC on mRNA level. Characterization of this anti-inflammatory compound suggests a peptide nature and opens an interesting area of future research. Here we could show that lung epithelial cells modulate the inflammatory response by down-regulating TNF-a and increasing IL-6 and IL-8 in co-cultures and must therefore be considered actors in shaping lung inflammation.

Recent investigations postulate that lung inflammation due to environmental pollutants, including lipopolysaccharide (LPS) plays an important role in the development and progression of different chronic lung diseases, including idiopathic pulmonary fibrosis. Advances in understanding the molecular mechanisms of this disease point to epithelial to mesenchymal transition (EMT) as a link between inflammation and fibrosis, but so far the role of LPS in the process of EMT has not been investigated. Therefore, we hypothesized that conditioned supernatant from LPS stimulated peripheral blood mononuclear cells (PBMC) induces an inflammatory cascade and subsequent EMT in lung epithelial type II A549 cell line. EMT in epithelial cells was evidenced after 3 days by alteration in cell morphology assessed by phase contrast microscopy and analysis of Western blot marker expression. A549 cells alone stimulated with LPS did not undergo EMT. Conditioned supernatant from LPS stimulated PBMC activated A549 cells to undergo EMT, evidenced by acquisition of mesenchymal morphology, down-regulation of epithelial cytokeratin and up-regulation of mesenchymal vimentin expression. Direct stimulation with IL-1b and TNF-a, but not IL-6, IL-8, MCP-1, MIP-1a and IL-10, shown to be produced from PBMC upon LPS-stimulation, induced fibroblast-like morphology, decreased cytokeratin and increased vimentin expression in A549 cells. Using neutralizing antibodies for IL-1b and TNF-a added to conditioned supernatants from LPS-stimulated PBMC we showed that IL-1b and TNF-a cytokines are responsible for the observed EMT effect. Thus, our findings indicate a central role of IL-1b and TNF-a in the in vitro LPS-driven EMT process in A549 cells.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Beteiligung von Epithelzellen der Luftwege an der angeborenen Immunantwort der Lunge ist ein aktuelles Forschungsthema, das zunehmend Interesse gewinnt. Anhand eines menschlichen, gemischten Kokultursystems aus der Lungenepithelzelllinie A549 und primären mononukleären Zellen des periphären Blutes (PBMC) konnten wir die Modulation der Freisetzung von IL-1b, TNF-a, IL-6 und IL-8 als Antwort auf die Stimulation mit Lipopolysaccharid (LPS), Staphylokokken-Enterotoxin B (SEB) und Peptidoglykan (PGN) im Vergleich mit den entsprechenden Monokulturen charakterisieren. Alle verwendeten Immunstimuli induzierten signifikant weniger TNF-a und eine deutlich höhere IL-6 Freisetzung in der Kokultur im Vergleich zu PBMCs. Die Freisetzung von IL-1b war Stimulus-abhängig auf LPS hin herunterreguliert, auf PGN Stimulation hin hochreguliert und auf SEB unbeeinflusst. IL-8 Ausschüttung wurde auf Stimulation mit LPS und PGN in der Kokultur signifikant gesteigert und auf Stimulation mit SEB hin tendenziell gesteigert. Transwell-Experimente zeigten, dass die Zytokinmodulation durch LPS in der Kokultur durch lösliche Faktoren vermittelt wird. Mittels neutralisierender IL-1b Antikörper konnten wir zeigen, dass IL-1b aus PBMC die gesteigerte IL-6 und IL-8 Produktion in mit LPS stimulierten Kokulturen vermittelt. Ein bislang noch nicht identifizierter Faktor, der konstitutiv aus A549 Zellen freigesetzt wird, vermittelt die Herunterregulation der TNF-a Freisetzung durch PBMC auf mRNA Ebene. Eine Charakterisierung dieses antientzündlichen Moleküls deutet auf ein Peptid hin und öffnet eine spannende neue Forschungsrichtung. Hier konnten wir zeigen, dass Lungenepithelzellen die Entzündungsreaktion in Kokulturen modulieren können, indem sie die TNF-a Freisetzung senken und die IL-6 und IL-8 Freisetzung steigern. Sie sollten daher als wichtige Akteure in der Entwicklung von Lungenentzündungsreaktionen betrachtet werden.

Aktuelle Forschungsergebnisse postulieren, dass die Entzündung der Lunge vermittelt durch Umweltschadstoffe, zu denen auch LPS zählt, eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Progression verschiedener chronischer Lungenerkrankungen, z.B. idiopathischer Lungenfibrose, spielt. Fortschritte in unserem Verständnis der molekularen Mechanismen dieser Erkrankung weisen auf Epithel-Mesenchymale Transition (EMT) als Verbindung zwischen Entzündung und Fibrose hin, jedoch wurde bisher die Rolle von LPS im EMT-Prozess nicht untersucht. Daher verfolgten wir die Hypothese, dass Überstand von mit LPS stimulierten PBMC eine Entzündungskaskade und darauf folgend EMT in der Lungenepithelzelllinie A549 auslöst. EMT wurde nach drei Tagen Stimulation aufgrund der veränderten Zellmorphologie mit dem Phasenkontrastmikroskop und durch Western Blot Analyse spezifischer Zellmarker nachgewiese. A549 Zellen durchliefen auf direkte Stimulation mit LPS hin keine EMT. Der Überstand von mit LPS stimulierten PBMC induzierte jedoch EMT, nachgewiesen durch die mesenchymale Morphologie, Herunterregulation von epithelialem Cytokeratin und Hochregulation von mesenchymalem Vimentin. Direkte Stimulation mit IL-1b und TNF-a, aber nicht mit IL-6, IL-8, MCP-1, MIP-1a oder IL-10, welche alle nach LPS Stimulation durch PBMC freigesetzt werden, induzierte eine Fibroblasten-ähnliche Morphologie, verringerte Cytokeratin- und gesteigerte Vimentin-Expression in A549 Zellen. Mittels neutralisierender Antikörper, die den Überständen von mit LPS stimulierten PBMC zugesetzt wurden, konnten wir zeigen, dass IL-1b und TNF-a für die EMT notwendig sind. Unsere in vitro Ergebnisse weisen auf eine zentrale Rolle von IL-1b und TNF-a im LPS-getriebenen EMT Prozess in A549 Zellen hin.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Lipopolysaccharid, Fibrose, Kokulturen, Zytokine, lipopolysaccharide, fibrosis, co-culture, cytokines

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ISO 690BORISOVA, Marina, 2010. Role of lipopolysaccharide in pulmonary inflammation and fibrosis : an in vitro study [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 9, 2010
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