Aktivierender Transkriptionsfaktor 4 schützt Mäuse vor sepsisinduzierten Darmverletzungen durch Regulation der Differenzierung darmresidenter Makrophagen
Sepsis ist ein lebensbedrohlicher Zustand, der durch eine unkontrollierte Entzündungsreaktion auf eine Infektion gekennzeichnet ist und häufig zu Organschäden und -dysfunktionen führt. Der Darm spielt aufgrund seiner Anfälligkeit für Verletzungen und der daraus resultierenden Translokation von Bakterien und Toxinen in die systemische Zirkulation eine kritische Rolle im Verlauf der Sepsis. Darmresidente Makrophagen (gMacs) sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der intestinalen Homöostase, da sie Immunantworten regulieren, die vaskuläre Integrität unterstützen und die bakterielle Translokation verhindern. Die Differenzierung von Monozyten zu gMacs ist ein Schlüsselprozess zur Aufrechterhaltung dieser Makrophagenpopulation, und deren Beeinträchtigung steht mit Darmverletzungen während der Sepsis in Verbindung. Der aktivierende Transkriptionsfaktor 4 (ATF4), der an der Differenzierung von Immunzellen beteiligt ist, scheint in diesen Prozess eingebunden zu sein. Diese Studie untersucht die Rolle von ATF4 bei der Regulation der Monozyten-zu-gMacs-Differenzierung und deren Einfluss auf sepsisinduzierte Darmverletzungen bei Mäusen.
Zur Untersuchung der ATF4-Rolle wurden zwei Sepsis-Modelle eingesetzt: zäkale Ligatur und Punktion (CLP) sowie Lipopolysaccharid (LPS)-Verabreichung. Wildtyp (WT)-Mäuse und Atf4-knockdown (Atf4+/−)-Mäuse wurden diesen Modellen unterzogen, und Gewebeproben (Kolon, periphere mononukleäre Blutzellen, Serum, Lunge, Leber, mesenteriale Lymphknoten) wurden entnommen. Durchflusszytometrie, Histopathologie, Immunhistochemie, qRT-PCR und ELISA wurden verwendet, um die Differenzierung von Monozyten zu gMacs, die Expression entzündungsassoziierter Marker und das Ausmaß der Darmverletzungen zu analysieren.
Ein optimierter durchflusszytometrischer Assay identifizierte CD64, CD11b, Ly6C, MHC-II, CX3CR1, Ly6G und Side Scatter (SSC) als geeignete Marker zur Darstellung der Monozyten-zu-gMacs-Differenzierung im Kolon. Dieser Prozess wurde in vier Stadien unterteilt: P1 (Ly6Chi-Monozyten), P2 (reife Monozyten), P3 (unreife Makrophagen) und P4 (reife gMacs). Unter Sepsisbedingungen reduzierten sich P4-Zellen (gMacs) signifikant, während P1-Zellen akkumulierten, was auf eine gestörte Differenzierung hinweist.
Die ATF4-Expression war unter physiologischen Bedingungen in P2-Zellen am höchsten, sank jedoch in P1-Zellen nach LPS-Gabe signifikant ab. Eine negative Korrelation zwischen der P1-Zellhäufigkeit und ATF4-Expression sowie eine positive Korrelation mit P4-Zellen wurde mittels Pearson-Korrelationsanalyse nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass eine verminderte ATF4-Expression in P1-Zellen die gestörte Differenzierung während der Sepsis fördert.
Atf4+/−-Mäuse zeigten im Vergleich zu WT-Mäusen erhöhte P1-Zellzahlen und reduzierte P4-Zellzahlen im Kolon, sowohl unter Ruhebedingungen als auch nach LPS-Behandlung. ATF4-Knockdown verstärkte die Proliferation von P1-Zellen, verringerte jedoch die Proliferation von P4-Zellen. Zudem stieg die Apoptoserate von P1-Zellen in Atf4+/−-Mäusen nach LPS-Behandlung an, während P4-Zellen unbeeinflusst blieben. Diese Befunde belegen, dass ATF4-Knockdown die Differenzierungsstörung durch Akkumulation unreifer Monozyten und Verlust reifer gMacs verschärft.
Funktionell führte ATF4-Knockdown unter homöostatischen Bedingungen zu reduzierter IL-10-Expression und erhöhter IL-1β-Expression in P1/P2-Zellen sowie verminderter MHC-II-Expression in P4-Zellen. Nach LPS-Behandlung verstärkte ATF4-Knockdown jedoch nicht die entzündungsfördernde Funktion von Ly6C+-Monozyten oder gMacs, sondern reduzierte deren IL-1β- und MHC-II-Expression. Dies legt nahe, dass die verstärkte Darmpathologie in Atf4+/−-Mäusen primär auf die Dysfunktion und Depletion von gMacs zurückzuführen ist.
Atf4+/−-Mäuse wiesen höhere Darmpathologie-Scores, erhöhte Expression proinflammatorischer Gene (TNF-α, IL-1β) und erhöhte Serumspiegel von Diaminoxidase (DAO) auf. Zudem waren die Expression von CD31 und VE-Cadherin im Kolon reduziert, was auf eine gestörte vaskuläre Integrität hindeutet. Die bakterielle Translokation in mesenteriale Lymphknoten und Lunge war bei Atf4+/−-Mäusen signifikant erhöht, was die Barrierestörung unterstreicht.
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass ATF4 durch die Regulation der Monozyten-zu-gMacs-Differenzierung entscheidend zum Schutz vor sepsisinduzierten Darmverletzungen beiträgt. Die Aufrechterhaltung der gMacs-Population durch ATF4 ist essenziell, um intestinale Homöostase, vaskuläre Integrität und bakterielle Kontrolle während der Sepsis zu gewährleisten. Diese Erkenntnisse identifizieren ATF4 als potenziellen therapeutischen Ansatzpunkt zur Minderung sepsisassoziierter Organschäden.