Human gut plasma cells live for decades: implications for vaccination and treatment of chronic inflammation

80% av alle antistoff-produserende plasmaceller i kroppen er lokalisert i tarmslimhinnen. De produserer gram-doser med antistoffer hver dag. Disse antistoffene transporteres til tarmlumen hvor de beskytter kroppen ved å binde seg til bakterier, virus og andre farlige elementer som på denne måten «nøytraliseres». Vi har nylig vist at tarmen består av tre undergrupper med plasmaceller. Disse undergruppene har veldig forskjellig livslengde. Tidligere trodde man alle plasmacellene i tarmen hadde kort halveringstid, men våre funn har vist at en stor andel av plasmacellene lever i flere tiår. Dette har i betydelig grad endret vår oppfatning av plasmacellenes funksjoner i slimhinnen. Over de senere år har det blitt klart at antistoffer produsert i slimhinnen binder seg til de bakteriene som naturlig er i tarmen (mikrobiotaen) og regulerer både deres antall og egenskaper. Sammensetningen av tarmbakteriene har vist seg å være relatert til flere ulike sykdommer, som for eksempel nevrodegenerative tilstander, betennelsessykdommer og kreft. Vi ønsket derfor å se i hvilken grad tarmens antistoffer binder seg til den normale mikrobiotaen i tarmen. Vi isolerte de tre undergruppene av tarmslimhinnens plasmaceller og dyrket dem i laboratoriet for produksjon av antistoffer. Antistoffene ble blandet med en anaerob bakteriekultur (ACHIM) som består av over 40 forskjellige typer tarmbakterier som er dyrket fra frisk person. Vi fant at alle tre plasmacelle-typene produserte antistoffer som bandt seg til mange av bakterietypene. Det var stor forskjell i bindingsaktivitet fra plasmaceller hentet fra ulike individer, men noen få bakterietyper viste veldig lik reaktivitet mellom individer og undergrupper av plasmaceller. Noen av disse bakteriene, som for eksempel prevotella, viste meget kraftig binding til antistoffer. Det er vist at prevotella er en såkalt «patobiont» - det vil si at den kan forårsake inflammatorisk sykdom i tarmen. Det er derfor grunn til å tro at immunforsvaret i tarmen ønsker å beskytte seg spesielt mot denne bakterien. Spesielt viktig var vårt funn som viser at antistoffer fra ultra-langlivete plasmaceller i stor grad binder tarmbakterier. Dette tyder på at kroppen vår bruker mye energi på å opprettholde en stabil interaksjon med tarmens bakterier og at dette bidrar til en stabil bakteriesammensetning som er viktig for god helse. Funnet vårt som viser at tarmen inneholder mange lang-livete plasmaceller kan ha stor betydning for utvikling av orale vaksiner mot infeksjonssykdommer i mage-tarm-kanalen. Ved vaksinering ønsker mange langvarige antistoff-responser. Vi viser at dette kan være mulig å etablere i tarmslimhinnen. I dette prosjektet ønsket vi å forstå hvilke cellulære mekanismer som er ansvarlig for at cellene kan leve i flere tiår. For å studere dette nærmere har vi foretatt «multiomics» undersøkelser av plasmacellene. Ved slike forsøk undersøker vi uttrykket av gener (transkripsjonsprofilen) og åpne områder på DNA i samme celle. Vi gjør også en klonalitets-bestemmelse av alle plasmacellene parallelt med undesøkelse av deres transkripsjonsprofil. Vi ser også på cellenes uttrykk av sentrale proteiner. På den måten kan vi lage et detaljert kart over alle plasmacellene som vi isolerer fra tarmen; både deres aktiveringsnivå og de gen-programmene som styrer cellene. Dette kan videre relateres til klonalitet. Det vil si at vi kan følge utviklingen av ulike kloner (dattter-celler) og se om de utvikler seg forskjellig eller følger samme gen-program. Vi har undersøkt DNA/RNA-profilen til plasmaceller fra 5 individer. Det gjenstår fremdeles noen analyser men vi regner med å ha en detaljert molekylær karakterisering av plasmacellene relatert til deres alder i løpet av kort tid. Vi har også en detaljert kart over transkripsjonsprofiler av alle andre celler i tarmslimhinne. Dette gjør at vi kan se på hvilke celler i tarmen som mest sannsynlig interagerer med plasmacellene. Våre funn vil gi viktig forståelse for hvordan man kan «designe» nye vaksiner for å gi langvarig immunitet i tarmslimhinnen. Våre funn har basert seg på plasmaceller isolert fra proksimale tynntarm (tolvfingertarmen). Vi ønsket derfor å undersøke sammensetningen av plasmacellene i distale del av tynntarmen og i tykktarmen. Vi isolerte cellene fra normale tarmavsnitt vi fikk tilgang til i forbindelse med tykktarmskreft-operasjoner. Det viste seg at begge tarmavsnitt inneholdt færre plasmaceller med veldig lang levetid. Tynntarmen og tykktarmen produserte også ulike typer antistoffer. Vi fant at de samme plasmacelle-klonene var distribuert over hele tykktarmen, men vi gjenfant ikke de samme klonene i distale tynntarm. Det viser at det adaptive immunforsvaret er forskjellig organisert i tynntarm og tykktarm som igjen har betydning for hvordan man skal «designe» orale vaksiner. Det er vel mulig at våre funn også kan ha betydning for utvikling av lokale vaksiner mot infeksjoner i kroppens andre slimhinner, først og fremst luftveiene.

Prosjektet har hatt stor betydning for kompetanseutvikling av prosjektets deltagere. Vi har etablert «state-of-the-art» enkeltcelle-analyser av celler isolert fra tarmen som aldri tidligere er foretatt. Dr. Sol Lim som har vært postdoktor på prosjektet har basert på sin kunnskap blitt rekruttert til en ny forskerstilling i Cambridge og vil fortsette med en relatert prosjekt. Kunnskap ervervet fra prosjektet har også stor betydning for laboratoriets fortsatte studier på å forstå tarmens immunapparatets rolle ved ulike sykdomsprosesser og de teknologiske nyvinninger vi har gjort har stor betydning for våre fortsatte prosjekter. Vi har også etablert et stort internasjonalt nettverk som er av vesentlig betydning for vår framtidige forskning. Vi har også stor tro på at våre funn relatert til vår forståelse av sammenhengen mellom tarmens produksjon av antistoffer og våre tarmbakterier, og vår kunnskap om hvorfor plasmacellene kan leve så lenge i tarmslimhinnen vil være av stor betydning for hvordan vi kan påvirke tarmbakteriene våre for å unngå sykdom og hvordan man kan utvikle nye bedre lokale vaksiner mot infeksjonssykdommer i tarmen.

Morbidity and mortality caused by infections in the gastrointestinal tract is a major health problem worldwide. Gut infections are responsible for approximately 10 million deaths annually of children younger than 5 years of age. For the majority of these diseases, there are no available effective vaccines. The gut is the habitat for trillions of commensal microbes (microbiota) that are beneficial for the host. However, disruption to the normal balance between the gut microbiota and the host (termed dysbiosis) has been associated with inflammatory bowel disease, obesity, allergy and asthma, autoimmune diseases and neurological disorders. The microbiota has thus become a very attractive target for therapeutic interventions. Plasma cells (PCs) are the most prominent immune cell in the gastrointestinal tract. They produce secretory antibodies that are actively transported into the gut lumen where they 1) protect against invading enteropathogens and 2) reinforce homeostasis in the gut by regulating the composition of the microbiota. The prevailing scientific dogma has stated that PCs of the gut have short half-lives. However, we recently demonstrated that intestinal PCs persist for decades in humans. This project directly builds on this paradigm-shifting discovery and our main objectives are to: - Identify molecular mechanisms underlying the selection of long-lived intestinal PCs - Identify and characterize members of the microbiota that are targeted by long-lived PCs We believe results from this project will have far-reaching clinical implications: - Understanding the molecular mechanisms that drive the selection of long-lived PCs is of great importance for the design of vaccines with long-lasting protective effects. - There is good reason to believe that commensals that induce persistent IgA responses are particularly important for gut homeostasis and that they therefore would be very attractive targets for therapeutic interventions.