Gewebsspezifische Mechanismen der Interaktion von intraepithelialen Mastzellen und Epithelzellen und deren Relevanz für die Funktion der mukosalen Barriere in Homöostase und Entzündung

Mastzellen (engl. mast cells, MC) sind gewebeständige Immunzellen,
die für die Einleitung und Aufrechterhaltung von Immunreaktionen auf
verschiedene exogene sowie endogene Reize von entscheidender
Bedeutung sind. Intraepitheliale mukosale MCs (ieMMCs) sind eine
spezialisierte MC-Untergruppe, die ausschließlich in den
Epithelschichten der Schleimhaut lokalisiert ist, und somit eine
entscheidende Rolle für die Epithelzellfunktion und mukosale
Immunität spielen könnte. Bislang sind die gewebespezifischen
Mechanismen der Interaktion zwischen ieMMCs und Epithelzellen
sowie die physiologischen Folgen noch nicht hinreichend untersucht.
In diesem Projekt wollen wir daher die Anzahl der ieMMCs, ihre
genaue anatomische Lokalisierung und Organisation sowie die
Mechanismen der intraepithelialen Anheftung und der zellulären
Interaktion mit Epithelzellen (z. B. physische Interaktion, MC-Granula
und/oder lösliche Mediatoren) in verschiedenen Schleimhautgeweben
(Darm, Lunge, Harnblase) unter physiologischen Bedingungen und
bei Entzündungsreaktionen bestimmen (Ziel 1). Dazu werden
innovative Bildgebungsverfahren (z. B. optisches Clearing und
Lichtblattmikroskopie des gesamten Organs, sowie hochauflösende
und multiparametrische Bildgebung) in neuartigen transgenen Mcpt1-
basierten und somit MMC-spezifischen Reportermodellen
durchgeführt. Wir werden insbesondere die heterotypischen Zell-Zell-
Interaktionen zwischen ieMMCs und EpCs untersuchen, inwiefern
sich diese Zellen durch ihre Interaktion gegenseitig beeinflussen und
wie sich dieses Zusammenspiel während einer Entzündungsreaktion mechanistisch verändert. Zudem soll die gewebespezifische Rolle
von ieMMCs für die epitheliale Integrität, Funktionalität, Immunität und
Geweberegeneration in Homöostase und bei Infektion/Entzündung
untersucht werden (Ziel 2). Dafür werden in vivo-Modelle für
epitheliale Schädigung (Influenza-Pneumonie und C. rodentiuminduzierte
Kolitis) in MMC-defizienten Mausmodellen eingesetzt, um
die Rolle der ieMMCs für die Epithelfunktion von Lunge und Darm auf
Einzelzellebene zu untersuchen (durch Charakterisierung
phänotypischer, funktionaler, transkriptioneller und metabolischer
Anpassungen der Epithelzellen). Ergänzende Analysen der Barriere-
Integrität, Epithelschädigung und der Geweberegenerations- und -
remodellierungsprozesse unter Verwendung dieser Modelle werden
Aufschluss über die Rolle der ieMMCs auf Gewebeebene geben.
Diese Studien werden durch komplexe in vitro-Analysen ergänzt, bei
denen MMCs aus den verschiedenen mukosalen Geweben mit
Epithelzellen ko-kultiviert werden, um die Mechanismen und die
Bedeutung einzelner Interaktionsfaktoren genauer zu untersuchen.

Tissue-specific mechanisms of interaction between intraepithelial mast cells and epithelial cells and their relevance in mucosal barrier function in homeostasis and inflammation

Mast cells (MCs) vitally initiate and perpetuate mucosal immune
responses towards various exogenous and endogenous stimuli.
Intraepithelial mucosal MCs (ieMMCs) constitute a distinct MC subset
that uniquely localizes within mucosal epithelial layers, suggesting
critical roles of ieMMCs for epithelial cell biology and mucosal
immunity in general. Thus far, tissue-specific mechanisms of
ieMMCs/epithelial cell (EpC) interaction and their physiological
consequences remain elusive. In this project, we therefore aim to
determine ieMMC numbers, their exact anatomical localization and
organization, and the mechanisms of intraepithelial attachment and
cellular interaction with EpC (e.g. physical interaction, MC granules
and/or soluble mediators) within different mucosal sites (i.e. gut, lung,
urinary bladder) under physiologic conditions and inflammation
(Objective 1). To this end, we will use a variety of novel transgenic
Mcpt1-based reporter models targeting MMCs and an array of
innovative imaging techniques (i.e. whole organ tissue clearing and
light sheet microscopy, high-resolution and multiparametric imaging).
In particular, we will investigate the heterotypic cell-to-cell-interaction
between ieMMCs and EpCs, how these cells influence each other
through their interaction and how this interplay changes
mechanistically during an inflammatory insult. Further, we will
evaluate the tissue-specific roles of ieMMCs for epithelial integrity,
adaptation, immunity and tissue regeneration during homeostasis and
upon infection and inflammation (Objective 2). Therefore, in vivo
models of epithelial injury (influenza pneumonia and C. rodentiuminduced
colitis) will be utilized in MMC-deficient mouse models to
assess the roles of ieMMCs for lung and gut epithelial function on a
single cell level (by assessing phenotypic, functional, transcriptomic,
and metabolic adaptations). Complementary analyses of barrier
integrity, epithelial shedding, and tissue regeneration and remodeling
processes using these models will shed light on ieMMC roles on a
tissue level. The aforementioned analyses will be complemented by
complex in vitro assays in which MMCs from different mucosal sites
will be co-cultured with EpCs, which allows to precisely investigate the
mechanisms and relevance of individual interaction factors in detail.