IL-13-induced inflammation and hyperreagibility in precision-cut lung slices of different species

Asthma is a chronic inflammatory disorder of the airways characterized by reversible airways obstruction, airway inflammation and airway hyperresponsiveness (AHR). Hereby, AHR is defined as exaggerated airway narrowing to nonspecific stimuli. Nevertheless, the exact mechanisms involved in development of AHR are still unknown. Moreover, the outline of the airway inflammation during asthma includes several phases: induction of the allergic reaction, manifestation of the disease with early phase reaction and late phase reaction. Many different cell types and cytokines are involved in the development and manifestation of asthma. Among the cytokines that are known it has been suggested that interleukin IL-13 has a pivotal role of in allergic asthma. The emerging paradigm is that IL-13 affects structural cells in the airways by a complex interaction mechanism producing the hallmarks of asthma. To understand the underlying immunological mechanisms the need emerged to develop suitable preclinical in vivo and in vitro models that can be extrapolated to the human in vivo situation. The aim of this study was to establish an ex vivo model using precision-cut lung slices (PCLS) to investigate the effect of IL-13 on inflammation and hyperreagibility in lung tissue from different species. Furthermore, human PCLS should be used to mimic the early phase reaction. For that, PCLS from mice, rats and monkeys were pre-incubated with IL-13 and subsequently stimulated with methacholine to induce bronchoconstriction. Moreover, human PCLS were incubated overnight with IL-13 and the presence of inflammation was recognized by detection of eotaxin-3 by using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). In order to induce an early phase reaction, human PCLS were passively sensitized overnight with plasma from allergic patients and bronchoconstriction was provoked with the allergen house dust mite (HDM). We detected that IL-13-induced airway hyperreagibility in PCLS from mouse and rats after a pre-incubation with IL-13 in a time period of six hours and three hours, respectively. Conversely, pre-incubation with human IL-13 did not induce airway hyperreagibility in PCLS from monkeys. However, human PCLS incubated overnight with IL-13 revealed inflammation by the presences of pro-inflammatory cytokines such as eotaxin-3. Furthermore, human PCLS passively sensitized with serum showed an immediate airway contraction by stimulation with the allergen house dust mite (HDM). Finally, in order to characterize the different cell populations in tissue slices, we stained the tissues by indirect immunofluorescence. We detected in human PCLS the presence of mast cells. PCLS from all species showed IL-13 receptor in the airway epithelium. In conclusion, it could be shown that PCLS represent a suitable model to study direct effects of cytokines such as IL-13 in airway hyperresponsiveness and inflammation. The model is also capable to mimic the early phase reaction in allergic asthma using human lung tissues.

Asthma ist eine chronische, entzündliche Erkrankung der Atemwege charakterisiert durch reversible Atemwegobstruktion, Atemwegentzündung und Hyperreagibilität (AHR) der Atemwege. Dabei ist die AHR als eine übermäßige Verengung der Atemwege auf unspezifische Reize definiert. Dennoch sind die genauen Mechanismen bei der Entwicklung der Atemwegüberempfindlichkeit immer noch unbekannt. Darüber hinaus umfasst der Verlauf der Atemwegentzündung bei Asthma mehrere Phasen: Induktion der allergischen Reaktion, Manifestation der Erkrankung mit Früh- und Spätphasereaktion. Viele verschiedene Zelltypen und Zytokine sind an der Entwicklung und Manifestation von Asthma beteiligt. Es wird vermutet, dass Interleukin (IL)-13 eine entscheidende Rolle beim allergischen Asthma spielt. Das neue Paradigma ist, dass IL-13 Auswirkungen auf strukturelle Zellen in den Atemwegen hat und durch ein komplexe Interaktionen zur Entwicklung von Asthmaanzeichen führt. Um die zugrunde liegenden immunologischen Mechanismen zu verstehen, müssen geeignete präklinische in vivo und in vitro Modelle entwickelt werden, welche auf die menschliche in vivo Situation extrapoliert werden können. Das Ziel dieser Studie war es, mit einem ex vivo Modell auf der Basis von Precision-cut Lung Slices (PCLS) die Wirkung von IL-13 auf Entzündung und Hyperreagibilität im Lungengewebe verschiedener Spezies untersuchen zu können. Dafür wurden PCLS von Mäusen, Ratten und Affen mit IL-13 präinkubiert und anschließend mit Methacholin stimuliert um die Bronchokonstriktion zu induzieren. Weiterhin wurden humane PCLS über Nacht mit IL-13 inkubiert und die Inflammation durch Nachweis von ausgeschüttetem Eotaxin-3 im Enzym-linked Immunosorbent Assay (ELISA) erfasst. Für die Untersuchung einer Frühphasenreaktion wurden humane PCLS über Nacht mit Plasma von Allergikern passiv sensibilisiert und die Bronchokonstriktion mit dem Allergen von Hausstaubmilben (HDM) provoziert. Es konnte IL-13-induzierte Atemweghyperreagibilität in Maus- und Ratten-PCLS nach einer Präinkubation mit IL-13 in einem Zeitraum von drei und sechs Stunden gezeigt werden. Jedoch konnte in Affen-PCLS eine Vorinkubation mit humanem IL-13 keine Atemweghyperreagibilität induzieren. Allerdings konnten in humanen PCLS, welche über Nacht mit IL-13 inkubiert wurden, eine Entzündung durch Nachweis von proinflammatorischen Zytokinen, wie Eotaxin-3, gezeigt werden. Darüber hinaus zeigten mit Serum passiv sensibilisierte humane PCLS eine sofortige Kontraktion der Atemwege durch die Stimulation mit dem Hausstaubmilben-Allergen (HDM). Anschließend wurden die Gewebeschnitte für den Nachweis unterschiedlicher Zellpopulationen gefärbt und mittels indirekter Immunofluoreszenz charakterisiert. In humanen PCLS konnte so die Anwesenheit von Mastzellen nachgewiesen werden und in PCLS von allen Spezies konnten IL-13-Rezeptoren im Atemwegsepithel gezeigt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PCLS ein geeignetes Modell darstellen, um direkte Effekte von Zytokinen, wie IL-13, auf Atemweghyperreagibilität und Entzündung zu untersuchen. Das Modell ist auch in der Lage Frühphasenreaktion im allergischen Asthma mit humanen Lungengeweben zu imitieren.