Hur kontrolleras leverans av luminala substanser i lamina propria?

Trots förekomsten av en fysisk barriär på grund av slemskiktet och epitelet, har det länge uppskattats att immunsystemet bakom SI villous epitel inte är okunnigt om luminalinnehållet, utan istället kontinuerligt övervakar innehållet för att främja tolerans mot oskyldiga luminala antigener i stadigt tillstånd.39 Denna process, kallad oral tolerans, involverar induktion av perifert härledda inducerade T-reglerande celler (iTregs) specifika för luminala antigener, som sedan kan undertrycka och förhindra inflammatoriska svar. 40,41,42 Det första steget i denna process är förvärv av luminala antigener av antigenpresenterande celler (APC) i LP.43,44 Flera vägar har identifierats genom vilka luminala substanser kan korsa epitelet inklusive paracellulärt läckage, transcellu lar permeabilitet, M-celler och utvidgningen av transepiteliala dendriter (TED) med LP-APCs.45,46 Paracellulärt läckage är associerat med och induceras av inflammation, 47 vilket tyder på att medan luminala substanser kan korsa epitelet via paracellulärt läckage, leda till induktion av tolerans. Luminala substanser kan korsa epitelceller transcellulärt efter endocytos av M-celler, även om M-celler är sällsynta utanför follikelassocierat epitel i SI och distal kolon där tolerans mot luminala substanser induceras i steady state.48,49 Dessutom tarmepitel celler har visat sig endocytosera luminala substanser, även om detta antas främst bidra till näringsabsorption.50 TED-förlängning är inte nödvändig för oral tolerans, eftersom oral tolerans induceras hos möss som saknar TED, 44,51 och oral tolerans induceras mot luminal ämnen i det distala tjocktarmen där TED-bildning inte har observerats. 52,53 Däremot induceras TED genom mikrobiell avkänning och ökar under enterisk infektion, vilket tyder på TED-förlängning som en mekanism för LP-APC för att direkt prova luminala bakterier eller alternativt TED förlängning kan vara ett steg i migrationen av APC i lumen för att sekvestrera patogena bakterier.54,55,56,57,58

Till skillnad från Det finns bevis som tyder på att GC-transport av luminalt antigen till LP-APC stöder tolerans i steady state. Flera studier har observerat att GC-celler är endocytiska och kan ta upp luminala substanser; 59,60,61,62, men det var först nyligen uppskattat att denna process kunde resultera i överföring av luminala substanser till LP-APC på ett sätt som kan inducera adaptiva immunsvar.63 Denna process, kallad GAP-bildning, inträffar i SI och distalt kolon i steady state, de platser i mag-tarmkanalen där tolerans mot luminala antigener induceras, 53,64 men inte i den vuxna proximala kolon , där tolerans mot luminala substanser inte induceras i steady state.64 Dessutom krävde induktion av tolerans mot kommensala bakterieantigener i mag-tarmkanalen före avvänjning GCs och GAP.65 Även om de för närvarande inte är utforskade, antyder dessa observationer att GCs och GAPs kan krävs också för induktion av tolerans mot dietantigener efter avvänjning. Andra observationer överensstämmer med GAP som en väg som främjar tolerans mot luminala antigener kring den täta regleringen av GAP-bildning. GAP induceras av ACh som verkar på den muskarina ACh-receptorn 4 (mAChR4) uttryckt på GC, vilket utlöser frisättningen av mucingranuler genom sammansatt exocytos.66 GAP-bildning var inte associerad med stimuli som inducerar GC-utsöndring genom primär exocytos.35,37,63 , 67 Den differentiella förmågan hos sekretagoger att inducera GAP-bildning indikerar att GC kan utsöndra slem för att upprätthålla barriären och inte utsätta immunsystemet för luminala substanser. Föreningen av GAP-bildning med föreningsexocytos, men inte med stimuli som inducerar utsöndring genom primär exocytos, kan vara en mekanism som gör det möjligt för GCs att upprätthålla slembarriären i inställningar där immunsystemets exponering för luminalinnehållet skulle vara ogynnsamt. Detta antas vara situationen i den vuxna proximala kolon, där slembarriären upprätthålls, men ändå GAP-bildning är sällsynt och GC är mindre lyhörda för ACh.37

Det har visats att den sekretoriska epitelcellen typ enteroendokrina celler kan endocytosera luminala antigener.61 Det återstår att se om andra sekretoriska celler, såsom Paneth-celler också kan endocytosera luminala substanser, och om dessa celler också kan bidra till belastningen av antigener på LP-APC och induktion av slemhinnesvar .

Vilken roll har GAP?

GAP-bildandet har utvärderats genom tunntarmen och tjocktarmen och genom hela det murina livet.GAP hittades också i friska mänskliga jejunalresektioner erhållna från patienter som genomgår bariatrisk kirurgi.63 Medan rollen av förändrad metabolisk status på GAP-bildning återstår att undersökas, tolkar vi totalt dessa observationer för att indikera att GAP introducerar luminala substanser till slemhinnans immunsystem inom tarmens lamina propria (LP) som en del av normal fysiologi hos möss och människor.

Hur regleras GAP i tunntarmen?

GC finns i tarmepiteliet i tidiga dagar efter födseln; 68,69 bildas emellertid inte GAP förrän senare i livet, med början i SI omkring dag 18. Före detta inhiberas GAP-bildning genom fosforylering av epidermal tillväxtfaktorreceptor (EGFR) i GC, som resulterar i aktivering av p42 / p44 MAPK som undertrycker GCs förmåga att svara på ACh för att bilda GAP (Tabell 1) .37 Före avvänjning av direkt ligering av EGFR genom tillväxtfaktorer, såsom EGF, inhiberade GAP-bildning. Dessa tillväxtfaktorer kan utsöndras i bröstmjölk och finns i hög koncentration i tarmlumen under tidigt liv och är också nödvändiga för korrekt tarmtillväxt under de tidiga dagarna av livet och skydd mot patogeninducerad vävnadsskada. 70,71,72

After life of life (DOL) 18, GAP-bildning i SI fortsätter under hela vuxenlivet. GAP-bildning och antigenavgivning i SI aktiveras varken eller inhiberas av kommensiell mikrobiota, 37,53 och det finns ingen förändring i GAP-bildning i SI hos bakteriefria möss eller möss på antibiotika.37 Men under patogena infektioner bildas GAP i SI hämmas, 73 upphör antigenavgivning till SI LP under en tid av ökad nöd. Hämning av GAP under Salmonella-infektion krävde Myd88-aktivering av EGFR-vägen, via IL1β som verkade på IL1-receptorn. 74 GAP-hämning under Salmonella-infektion var snabb och nödvändig för att förhindra ökad spridning av Salmonella till de dränerande lymfkörtlarna, eftersom Salmonella kunde använda GAP som en portal för inträde.73 Listeria monocytogenes har också visat sig associera med GC för att få inträde förbi epitel 75 och Citrobacter rodentium infekterar direkt kolon GC, 76 vilket tyder på att flera bakteriearter kan använda GAP som en portal för inträde.

Hur regleras GAP i proximalt kolon?

Intressant nog uppstår GAP-bildning i proximalt kolon endast under en kort tidsperiod, mellan DOL 10 genom avvänjning (runt DOL 21) (Tabell 1 ) .65 Före DOL 10 inhiberades GAP-bildning på ett EGFR-beroende sätt, liknande SI, och aktivering av Myd88 med TLR ledde till EGFR-beroende hämning av GAP-bildning efter avvänjning som svar på mikrobiota prese nt i specifika patogenfria inrymda möss.37,65 Sådana distinkta perioder av GAP-reglering och luminal antigen exponering i den proximala kolon kan representera de distinkta faserna av immunutveckling genom att definiera ett intervall för avvänjning under vilket immunsystemet exponeras för luminal antigener för induktion av antigenspecifik tolerans mot tarmbakterier.65

Kanske som eller viktigare än stimuli som inducerar GAP-bildning, är vägarna som hämmar GAP-bildning och antigenavgivning i ogynnsamma situationer. När det är närvarande bildade felaktigt bildade GAP i det proximala kolonet för translokering av kommensala och patogena bakterier.53,73,77 Dessutom åsidosätter GAP-hämningen i dessa situationer inflammatoriska svar.65,73,77

Hur regleras GAP i den distala tjocktarmen?

GAP-bildning i den distala tjocktarmen hämmas inte av mikrobioten efter avvänjning vilket gör att den skiljer sig från den proximala tjocktarmen (tabell 1) .53 Men translokation av bakterier var inte associerad med närvaron av GAP i den distala kolon.53 Även om det inte undersöktes, kan närvaron av GAP i den distala kolon och ändå kan bristen på bakteriell translokation bero på det täta slemskiktet i det distala kolon, vilket kan minska GC: s exponering för mikrober och mikrobiella produkter gör det möjligt för GC att svara på ACh för att bilda GAP och förhindra mikrober från att komma åt GC. Eftersom tolerogena reaktioner kan induceras genom den distala tjocktarmen återstår att se vad, om någon, regleringsmekanismer kan kontrollera GAP-bildning och antigenavgivning i den distala tjocktarmen.

Under hela livet erbjuder GAP-hämning genom EGFR-fosforylering en elegant regleringsväg som använder en liknande hämmande signal, med separata reglerande ligander som definierar tiden när antigenavgivning är en önskvärd händelse. Således ger flera vägar stram kontroll av GAP-bildning och luminal antigen exponering för att begränsa olämpliga inflammatoriska reaktioner i ogynnsamma situationer och möjliggör exponering för luminal antigen när det är fördelaktigt (tabell 1).

GCs interaktioner med immunceller

LP: n innehåller flera APC-populationer78,79 med distinkta funktioner som är nödvändiga för lämpliga immunsvar mot luminala substanser. Medan initiala studier rapporterade att GAP-celler företrädesvis levererade luminala antigener till SI CD103 + DC, har 63 CX3CR1 + APCs också observerats interagera med och erhålla luminala substanser från GAP.53 När kolon GAP bildades genom att kringgå GAP-hämmande vägar hos möss efter avvänjning, CX3CR1 + APC sågs interagera med kolon GAP och laddades med bakterier som translokerades via GAP.37,53,77 Eftersom flera populationer av APC interagerar med och erhåller antigen från GAP i tarmen, återstår att se om det finns faktorer för att rekrytera en specifik population av APC till GC för att förvärva antigen för induktion av oral tolerans eftersom vissa populationer av APC, såsom CD103 + APC, anses vara bättre lämpade för induktion av tolerogena svar. 80

CD103 + LP-APC uttryck av retinaldehyddehydrogenas (ALDH1) är nödvändigt för produktion av alltrans retinsyra (ATRA) .81 Produktionen av ATRA spelar flera roller i slemhinnans immunsvar mot luminal ant igens inklusive främjande av IgA-svar, imprinting av tarmhämmande molekyluttryck av lymfocyter och inducering av Tregs. 82,83,84 In vivo-studier avslöjade att CD103 + LP-APC-expression av ALDH var beroende av rekrytering till epitel- och epiteluttryck av cellulär retinol bindande protein II (CRBPII) .85,86

Under interaktioner med APC: er överför GC: ar GC-produkter tillsammans med luminala antigener till APC: er.63 Denna överföring av GC-produkter till APC: er kan avtrycka APC: er med slemhinnegenskaper. En sådan GC-produkt, MUC2, har föreslagits för att trycka in APC med en antiinflammatorisk gensignatur som krävs för oral tolerans, 87 vilket tyder på att när APC förvärvar luminala antigener från GAP, förvärvar de också tolerogena signaler. Störa interaktioner mellan APC och epitel minskade överföringen av GC-produkter till APC och minskade därefter induktionen av slemhinnesvar av APCs.85 Huruvida CX3CR1 + APC, som i stor utsträckning inte uttrycker ALDH, är också präglade med specifika egenskaper under interaktioner med GCs kvarstår som ska undersökas.

Det efterföljande immunsvaret som följer förvärvet av antigener av APC: er orkestreras genom utsöndringen av cytokiner, kemokiner och andra proteiner, vilket är baserat på de signaler som APC: er får från antigenerna88,89 och vävnadsmiljön. 90 Utsöndrade cytokiner och kemokiner rekryterar celler och driver differentiering av effektorceller, reglerar typen av immunsvar som följer antigen exponering, och kan komma från en mängd olika celltyper, inklusive GC. Under C. rodentium-infektion, en murin modell av enterohemorragisk Escherichia coli-infektion, RELM-β utsöndras basolateralt av GC, kan hittas i serumet och fungerar som ett kemoattraktivt medel som rekryterar CD4-T-celler till kolon LP.91 Dessutom, RELM- β stöder IL-22-produktion under infektioner, vilket hjälper till att främja vävnadsreparation och restaurering, vilket indikerar att RELM-β kan utföra flera funktioner som liknar cytokiner och kemokiner för att lösa patogeninfektioner. En annan GC-produkt, trefoil faktor 3, TFF3 är viktig för upplösning av inflammation, vilket hjälper till vid vävnadsreparation och -återställning, 76,92 och produktionen av TFF3 kan utlösas genom mikrobiell avkänning genom TLR2-stimulering.93 Medan den förblir att ses om GC i tarmen utsöndrar cytokiner under immunsvar in vivo, GC uttrycker mRNA för en mängd olika cytokiner, såsom IL13, IL18, IL15, IL6, IL7, IL17 och IL25, och kemokiner eotaxin, CCL6, CCL20, CCL9 (MIP1γ), 37,85,94 den senare har visat sig locka APC till epitelet. 95 Genom sekretion av lösliga faktorer hjälper GC sålunda till att forma och kontrollera immunsvar.

Kan GCs vid andra slemhinneytor bildar GAP?

GC-tarmar kontrollerar immunsvar genom att reglera antigenexponering genom slemutsöndring för att upprätthålla barriären, luminal antigenavgivning och interaktioner med APC som ligger bakom epitelet. Några av dessa funktioner har observerats i GC på andra slemhinneytor; det återstår dock att se om GC på andra slemhinnor har förmågan att bilda GAP och leverera antigener till APC.Medan det inte är utforskat är det spännande att spekulera, baserat på karakteristik som delas mellan tarmens GC och GC på andra slemhinnor, att GAP-funktionen kan finnas på andra platser. GAP-bildning i mag-tarmkanalen är associerad med utsöndring via sammansatt exocytos, en egenskap som delas av GC i luftvägsepitel och konjunktiva. Dessutom är stimuli som inducerar föreningsexocytos vid dessa ytor liknar de som inducerar föreningsexocytos i tarm-GCs. 4,96,97 Av ytterligare intresse regleras föreningsexocytos och utsöndring i GC-konjunktival genom EGFR-fosforylering, 97,98,99 och TLR aktivering i luftvägs-GC: er leder till EGFR-transaktivering, vilket indikerar att vägarna som reglerar GAP i tarmen är närvarande och funktionella i GC på andra slemhinneytor.

Det enkla kolumnära tarmepitelet är väl lämpat för leverans av luminal antigener eftersom detta möjliggör för en enda cell att ha tillgång till lumen och APC: erna i LP: n, vilket gör det möjligt för en GC att direkt ta upp och leverera luminala antigener till APC: er. Konjunktiva i okulärt epitel är också ett enkelt kolumnerepitel, och interaktioner mellan konjunktival GC och APC har beskrivits, 101 vilket antyder att GC-medierad antigenavgivning till APC vid denna slemhinneyta också kan förekomma. I likhet med tarmen resulterar en förlust av GCs eller nedsatt mucinsekretion i konjunktiva i inflammatoriska svar, 102.103 96 överensstämmer med en roll för konjunktival GCs att upprätthålla tolerans. Intressant nog utsöndrar okulära GC: er TGFβ2 och uttrycker CD36, vilket är nödvändigt för att aktivera TGFβ2.101 Ytterligare okulära GC: er kan trycka en tolerogen fenotyp på APC: er, 101 vilket indikerar att GC i konjunktiva kan trycka APC: er med en tolerogen fenotyp medan de levererar antigener. Dessutom innehåller konjunktiva en kommensflora, 104 och liknar tarm-GC, konjunktival-GC är lyhörda för mikrobiell stimulering, 105 vilket tyder vidare på att tarm-GC och konjunktival-GC kan spela parallella roller i immunsvar.

Medan epitel i de övre luftvägarna i inte ett enkelt kolumnepitel, det är ett pseudostratiserat epitel, där kärnorna i epitelcellerna inte är inriktade i samma plan men alla epitelceller kommer i kontakt med basalmembranet och kan komma i kontakt med lumen .106 Således kan det pseudostratiserade epitelet fortfarande tillåta GC i den övre luftvägen att ha tillgång till både lumen och immunceller under källmembranet i syfte att leverera antigen. Dessutom är APC i nära kontakt med det övre luftvägsepitelet, 107 och ökad differentiering av GC leder till rekrytering av APC till luftvägsepitel 108, vilket tyder på att närvaron av GC kan rekrytera APC som underlättar interaktioner och antigenöverföring. Dessutom utsöndrar luftvägs-GC: er flera cytokiner och kemokiner, rekryterar immunceller och formar immunsvaret mot inhalerade antigener. Liksom tarmen och konjunktiva har lungan sin egen unika, men begränsade mikrobiota, 111 som kan bli dysbiotisk och expanderad i sjukdom eller hamnpatogener och representerar potentiell fara, 112,113 vilket ökar möjligheten att luftvägs-GCs också kan svara på mikrobiella signaler för att modulera immunsvar mot inhalerade antigener.

Även om denna recension har fokuserat på GC: s roll för att upprätthålla homeostas är det värt att notera att GC också kan bidra till sjukdomspatogenes. Bägare cell hyperplasi är ett kännetecken för Th2 svar i både tarmen och i lungan och drivs av IL-13 i båda organen. Denna process är viktig för utvisning av helminter och skydd av luftvägar genom ökad slemutsöndring; 114,115,116, men ökad slemproduktion är också en bidragande faktor till patogenesen för astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom.117 Det är okänt om de ökade GC-erna som expanderar under sjukdom har förmågan att bilda GAP och leverera antigen och huruvida dessa GAP bidrar till homeostatiska eller patogena immunsvar. Observationer att IL-13-driven GC-expansion resulterade i ökad translokation av Listeria monocytogenes75 antyder dock att dessa GC kan ha GAP-funktion och bidra till sjukdom. GC-expansion är ofta en komponent i en aktiv infektion eller upplösning till sjukdom under vilken systemet kanske inte är inriktat på tolerogena reaktioner. Om GAP bildas från GC under GC-expansion kan detta resultera i ökad antigenavgivning under en otillbörlig tid som främjar inflammatoriska reaktioner mot kost- och kommensbakteriella antigener, vilket resulterar i matallergi eller kolit.Dessutom har GC-dysfunktion associerats med och bidragit till flera sjukdomar inklusive inflammatorisk tarmsjukdom, cystisk fibros, astma, metaboliska störningar, Sjögrens syndrom och kronisk obstruktiv lungsjukdom, vilket indikerar att GC inte alltid är oskyldiga åskådare och kan vara aktiva deltagare i sjukdomen. patogenes.