The respiratory system is amongst the most important compartments in the human body. Due to its connection to the external environment, it is one of the most common portals of pathogen entry. Airborne pathogens like measles virus (MV) carried in liquid droplets exhaled from the infected individuals via a cough or sneeze enter the body from the upper respiratory tract and travel down to the lower respiratory tract and reach the alveoli. There, pathogens are captured by the resident dendritic cells (DCs) or macrophages and brought to the lymph node where immune responses or, as in case of MV, dissemination via the hematopoietic cell compartment are initiated. Basic mechanisms governing MV exit from the respiratory tract, especially virus transmission from infected immune cells to the epithelial cells have not been fully addressed before. Considering the importance of these factors in the viral spread, a complex close-to-in-vivo 3D human respiratory tract model was generated. This model was established using de-cellularized porcine intestine tissue as a biological scaffold and H358 cells as targets for infection. The scaffold was embedded with fibroblast cells, and later on, an endothelial cell layer seeded at the basolateral side. This provided an environment resembling the respiratory tract where MV infected DCs had to transmigrate through the collagen scaffold and transmit the virus to epithelial cells in a Nectin-4 dependent manner. For viral transmission, the access of infected DCs to the recipient epithelial cells is an essential prerequisite and therefore, this important factor which is reflected by cell migration was analyzed in this 3D system.
The enhanced motility of specifically MV-infected DCs in the 3D models was observed, which occurred independently of factors released from the other cell types in the models. Enhanced motility of infected DCs in 3D collagen matrices suggested infection-induced cytoskeletal remodeling, as also verified by detection of cytoskeletal polarization, uropod formation. This enforced migration was sensitive to ROCK inhibition revealing that MV infection induces an amoeboid migration mode in DCs. In support of this, the formation of podosome structures and filopodia, as well as their activity, were reduced in infected DCs and retained in their uninfected siblings. Differential migration modes of uninfected and infected DCs did not cause differential maturation, which was found to be identical for both populations. As an underlying mechanism driving this enforced migration, the role of sphingosine kinase (SphK) and sphingosine-1-phosphate (S1P) was studied in MV-exposed cultures. It was shown in this thesis that MV-infection increased S1P production, and this was identified as a contributing factor as inhibition sphingosine kinase activity abolished enforced migration of MV-infected DCs. These findings revealed that MV infection induces a fast push-and-squeeze amoeboid mode of migration, which is supported by SphK/S1P axis. However, this push-and-squeeze amoeboid migration mode did not prevent the transendothelial migration of MV-infected DCs.
Altogether, this 3D system has been proven to be a suitable model to study specific parameters of mechanisms involved in infections in an in vivo-like conditions. / Die respiratorische System ist ein wesentlicher physiologischer Bestandteil. Durch die direkte und konstante Verbindung der Atemwege mit der äußeren Umgebung sind sie einer der häufigsten Pfade für den Eintritt von Krankheitserregern in den Körper. Luftübertragene Krankheitserreger wie das Masern-Virus (MV), das in Flüssigkeitströpfchen mitgeführt und von Patienten durch Husten oder Niesen ausgeatmet wird, können über die oberen Atemwege in den Körper gelangen und sich bis in die unteren Atemwege und bis zu den Alveolen ausbreiten. Dort werden diese Krankheitserreger von den dort residenten dendritischen Zellen (DC) oder Makrophagen erworben und zu sekundären lymphatischen Organen transportiert, in denen sowohl virus-spezifische Immunantworten, aber auch – wie im Falle von MV – die hämatogene Dissemination initiiert wird. Der Austrittsmechanismus des MV aus den Atemwegen, insbesondere dessen Übertragung von infizierten Immunzellen auf die Epithelzellen und die Faktoren, die diesen Ablauf bestimmen, wurden jedoch bisher unzureichend untersucht. In Anbetracht der Bedeutung dieser Faktoren für die Virusausbreitung wurde ein komplexes, realitätsnahes in-vivo 3D-Modell der menschlichen Atemwege erstellt. Dieses Modell wurde unter Verwendung von de-zellularisiertem Schweinedarmgewebe als biologischem Gerüst und H358 Epithelzellen als Empfänger etabliert. Dieses Grundgerüst wurde mit Fibroblastenzellen eingebettet. Später wurde auf der basolateralen Seite der Modelle eine Endothelzellschicht eingebracht, um eine Umgebung zu schaffen, die der der Atemwege ähnelt. Somit mussten die Virus-Donoren, MV-infizierte DC durch das Kollagengerüst wandern und das Virus auf Epithelzellen in einer Nektin-4 abhängigen Weise übertragen. Für die Virusübertragung ist der Zugang infizierter DC zu den Empfänger-Epithelzellen eine wesentliche Voraussetzung, weshalb dieser wichtige Faktor, der sich in der Zellmigration widerspiegelt, in diesem 3D-System analysiert wurde.
Eine erhöhte Beweglichkeit spezifisch MV-infizierter DCs wurde in den 3D-Modellen beobachtet. Dies erwies sich als unabhängig von löslichen Faktoren der anderen Zelltypen in den Modellen. Erhöhte Beweglichkeit infizierten DCs wurde auch in 3D-Kollagenmatrizes gesehen, was auf einen infektionsvermittelten zytoskelettalen Umbau hindeutete, der auch anhand von Zytoskelettpolarisation und Uropodbildung bestätigt wurde. Die MV-Infektion induzierte einen schnellen amöboiden Migrationsmodus in den DCs, der sich als sensitiv gegenüber ROCK-Hemmung erwies. Im Gegensatz zu uninfizierten DCs gleichen Reifungsstadiums waren in infizierten DCs Podosomenstrukturen und Filopodien sowie deren Aktivität stark reduziert. Als potentiell zur verstärkten Motilität infizierter DCs beitragender Faktor wurde die Rolle der Sphingosinkinase (SphK) und des Sphingosin-1-phosphats (S1P) in MV-exponierten Kulturen untersucht. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die S1P-Produktion durch eine MV-Infektion erhöht wurde, und in der Tat zur für infizierte DCs beobachteten erhöhten Geschwindigkeit beitrug, da diese sensitiv gegenüber Hemmung der Sphingosinkinase-Aktivität war. Diese Ergebnisse zeigen, dass die MV-Infektion einen schnellen amöboid-artigen Migrationsmodus induziert, der von der SphK/S1P-Achse unterstützt wird. Dieser Push-and-Squeeze-Amoeboid-Migrationsmodus verhinderte jedoch nicht die transendotheliale Migration von MV-infizierten DCs.
Insgesamt hat sich dieses 3D-System als geeignetes Modell erwiesen, um die spezifische Parameter von Mechanismen von Infektionen in einem in-vivo-ähnlichen Zustand zu untersuchen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:18918 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Derakhshani, Shaghayegh |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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