Alterations of liver dendritic cell subsets during NAFLD and the influence of the batf3-dependend population on disease progression

Abstract

The metabolic syndrome has increased considerably worldwide and so have its associated conditions including non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). In most cases NAFLD manifests as relatively benign hepatic steatosis, but around 10% of the patients develop the more severe non-alcoholic steatohepatitis (NASH), which is associated with a higher risk for end stage liver disease and hepatocellular carcinoma. The exact pathomechanism that leads to progression of hepatic steatosis towards NASH is incompletely understood. Dendritic cells (DC) have been implicated to play a protective role in the progression of NASH. DCs are specialized antigen-presenting cells that play an important role in the regulation of immune responses. They are a heterogenous group of cells and consist of several subtypes, such as plasmacytoid DCs (pDC), CD103+ classical DCs type 1 (cDC 1) and CD11b+ classical DCs type 2 (cDC 2) as well as a monocyte derived DCs. This study aims to characterize the changes of individual DC subtypes during development and progression of NAFLD and focuses on the specific role of the CD103+ cDC 1 population using the batf3-knockout model (batf3-KO). Steatosis and steatohepatitis was induced in wildtype (WT) and batf3-KO mice through feeding of high sucrose diet (HSD) and methionine-choline-deficient diet (MCD) respectively and changes of hepatic immune cells were mapped using multicolor flow cytometric analysis. Together with HE-staining, cytokine arrays and serum analysis, flow cytometry was further used to investigate the effect of CD103+ cDCs 1 on the composition of hepatic immune cells and disease progression. All DC subtypes increase in the steatohepatitis model, suggesting their involvement in the pathogenesis of NASH. Lack of CD103+ cDCs 1 during HSD feeding results in progression towards steatohepatitis with increased presence of inflammatory cells types including inflammatory monocytes, monocyte derived DCs and other myeloid cells as well as elevated production of pro-inflammatory cytokines. Importantly disease progression in batf3-KO animals is not associated with aggravated adipose tissue inflammation or increased insulin resistance, indicating a local mechanism rather than a systemic effect of batf3-KO cells This study shows, that murine CD103+ cDCs 1 hold an important protective role in the progression of steatosis towards steatohepatitis, by regulating the composition of hepatic immune cells, the influx of inflammatory cells and the intrahepatic production of cytokines. Furthermore, it implies a role of the remaining DC subsets in the pathogenesis of NASH, which is less specified and will need further clarification in future studies.

Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD), welche als hepatische Konsequenz des metabolischen Syndroms betrachtet wird, trat in den letzten Jahrzehnten weltweit vermehrt auf. In den meisten Fällen der NAFLD handelt es sich um die relativ benigne Steatosis Hepatis (Fettleber), allerdings kommt es bei etwa 10% der Fälle zu der Genese einer nicht-alkoholischer Steatohepatitis (NASH), die durch entzündliche Infiltrate und Hepatozytenschäden charakterisiert ist und mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung von terminaler Leberinsuffizienz oder eines hepatozellulären Karzinoms einhergeht. Der genaue Pathomechanismus für die Progression der Steatosis Hepatis zur Steatohepatitis ist noch nicht vollständig geklärt. Den dendritischen Zellen (DC) wird eine protektive Funktion im Rahmen der Pathogenese einer NASH zugeschrieben. DCs sind spezialisierte, antigen-präsentierende Zellen, welche eine wichtige Rolle bei der Regulation von Immunantworten spielen. Sie werden meist als CD11c+MHC-II+ Zellen identifiziert. Allerdings handelt es sich bei DCs um eine sehr heterogene Gruppe, welche unter anderem aus plasmazytoiden DCs (pDCs), CD103+ klassischen DCs Typ 1 (cDCs 1), CD11b+ klassischen DCs Typ 2 (cDCs 2) sowie DCs der monozytären Linie (moDCs) besteht. Um ein besseres Verständnis der Funktion dieser Zellen zu erhalten wurden in der vorliegenden Studie die Veränderungen dieser individuellen Subtypen während der Genese und Progression der NAFLD untersucht. Zudem wurde an batf3-knockout (batf3-KO) Mäusen, welchen der CD103+ cDCs 1 Subtyp fehlt, die Rolle dieses Zelltyps in der Entwicklung einer NASH genauer betrachtet. Hierzu wurden anhand unterschiedlicher Ernährungsregime 3 Gruppen gebildet. Um eine Steatosis Hepatis beziehungsweise Steatohepatitis zu induzieren erhielt je eine Gruppe eine saccharosereiche (high sucrose diet, HSD), respektive eine methionin- und cholindefiziente Diät (methionin-choline-deficient diet, MCD). Die dritte Gruppe erhielt ein normales Ernährungsregime. Als Kontrolle dienten Wildtyp (WT) Mäuse mit jeweils identischen Diäten. Veränderungen der hepatischen Immunzellen wurden mit Hilfe der Multicolor Durchflusszytometrie untersucht. Diese wurde zudem in Verbindung mit HE-Färbungen der Leberproben, Zytokin Arrays und Serum Analysen genutzt, um den Effekt von cDCs 1 auf die anteilige Zusammensetzung der hepatischen Immunzellen und den Progress der Steatosis Hepatis zur Steatohepatitis zu untersuchen. In dieser Studie wird gezeigt, dass alle DC Subtypen im Rahmen einer NASH vermehrt in der Leber auftreten, was auf ihre mögliche Involvierung in der Pathogenese der NASH hinweist. Eine HSD führt bei WT Mäusen zu einer benignen Steatosis Hepatis, während sie bei cDCs 1-defizienten batf3-KO Mäusen zur Entwicklung einer NASH führt. Bei Letzteren kommt es hierbei zu einer Zunahme von inflammatorischen Monozyten, monozytären DCs und anderer Zellen der myeloiden Reihe in der Leber sowie zu einer Verschiebung der intrahepatischen Zytokinproduktion in Richtung eines pro-inflammatorischen Milieus. Dabei führt die HSD trotz Fortschreiten der Erkrankung in batf3-KO Tieren allerdings nicht zu einer verstärkten Entzündung im Fettgewebe oder der Verschlechterung der Insulinresistenz, was darauf schließen lässt, dass die Progression der Erkrankung ein lokal begrenzter Effekt von cDCs 1 ist und nicht in Folge einer systemischen Verschlechterung beim Fehlen von cDCs 1 auftritt. Zusammenfassend kann in dieser Studie gezeigt werden, dass cDCs 1 eine wichtige protektive Rolle in der Entwicklung der Steatohepatitis aus der Steatosis Hepatis innehaben indem sie die Zusammensetzung hepatischer Immunzellen, die Einwanderung inflammatorischer Zellen und die intrahepatische Zytokinproduktion regulieren. Außerdem deuten die Ergebnisse dieser Studie daraufhin, dass die übrigen DC Subtypen ebenfalls eine Rolle in der Pathogenese der NASH einnehmen. Diese müssen in weiteren Studien noch genauer spezifiziert werden.