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Publication
Immune-microbe crosstalk : modulation of adaptive immune system by the microbiota and SARS-CoV2
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Adaptive immune responses are supported by lymphocytes that are broadly divided into B and T cells, which provide antibody and cell-mediated immune responses, respectively. Adaptive immunity is characterized by a specific pathogen recognition, generation of memory, and regulation of homeostasis. Lymphocytes develop and are activated in the lymphoid organs and can also re-circulate within the tissues. Intestinal Intraepithelial lymphocytes (IELs) occupy the top layers of epithelial barriers and are broadly composed of natural IELs (CD8ααTCRγδ) and induced IELs (CD8αβTCRαβ and CD4TCRαβ). IELs are kept in a heightened but controlled state of activation, have reciprocal interactions with the intestinal epithelial cells (IECs) and microbiota. There is evidence supporting that IELs contribute to the pathogenesis of gut disorders such as celiac disease and inflammatory bowel disease (IBD). Yet, the stimuli that control IELs activity and the molecular pathways involved remain unclear.
In the context of a parasite infection, caused by Eimeria vermiformis that infects mouse IECs, induced IELs but not natural IELs are strongly activated. Interestingly, upon treatment with broad-spectrum antibiotics, followed by E.vermiformis infection, natural IELs proliferation is boosted. This proliferation boost is traced to Grampositive bacteria, the major producers of short-chain fatty acids (SCFA) and lactate. The hyperproliferative phenotype was also observed in the context of antibiotics and Dextran Sulphate Sodium (DSS) treatment. However, here just natural IELs got activated and induced IELs were not affected by the treatment. Importantly, the IEL proliferation boost is reversed by faecal microbiota transplantation (FMT) under antibiotics treatment and infection compared with no FMT.
IELs do not express SCFA receptors but glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) is highly expressed by them. Fatty acid and lactate receptors are expressed by intestinal enteroendocrine L cells that produce GLP-1. Interestingly, we found GLP-1 mRNA and serum levels increased upon antibiotics treatment and DSS or E.vermiformis infection. Moreover, administration of Ex-9, a GLP-1 antagonist, reduced natural IELs proliferation. A diverse microbiota composition is important to sustain IELs and maintain their semi-activated state without effector function.
Upon bacterial dysbiosis, especially reduced Gram-positives, natural IELs proliferation is released, and GLP-1 levels are increased.
Currently, we characterise the microbiota complexity via 16S rRNA sequencing to understand the community that is responsible for keeping the natural IELs at the quiet state of activation. In the absence of this community, natural IELs proliferation is released, which could lead to gut inflammation, such as seen in IBD. Therefore, by manipulating the microbiota composition, the importance of specific bacteria and/or bacterial products that influence natural IELs activation and function will be addressed. This way, it will be possible to control the proliferation and activation of these cells to restore gut homeostasis.
On December 2019 a novel virus, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), was first identified from an outbreak in Wuhan, China, being responsible for the COVID-19 pandemic. In Portugal, the first case was reported in March 2020. In April 2020, we started working to understand the spreading of the virus, to identify those who are and were infected, and to follow the immune response longitudinally. We created a reliable and robust assay for SARS-CoV-2 detection and immunological monitoring. We designed an Enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) assay to quantify IgM, IgG, and IgA antibodies against SARS-CoV-2 receptor-binding domain (RBD) or the Spike (S) protein. We described the meticulous setup to monitor the humoral immune response of over 300 COVID-19 hospital patients and healthcare workers, 2500 University staff, and 198 post-COVID-19 volunteers. SARS-CoV-2 infection induced a classic pattern of antibody responses with a rapid increase within the first three weeks after symptoms. Anti-SARS-CoV-2 IgG antibodies reduced in titres, although remaining robust with confirmed neutralization activity for up to 6 months in a large proportion of previously virus-positive screened individuals. Our work provides detailed information for the assays used, facilitating longitudinal analysis of protective immunity to SARS-CoV-2. Importantly, it highlights a continued level of circulating neutralising antibodies in most people with confirmed SARS-CoV-2.
As respostas imunes adaptativas são suportadas por linfócitos que são compostos por células B e T, que promovem respostas imunes humorais ou celulares, respetivamente. A imunidade adaptativa é caracterizada pelo reconhecimento específico de um patógeno, geração de memória e regulação da homeostase. Os linfócitos desenvolvem-se e são ativados nos órgãos linfoides e também podem re- circular dentro dos tecidos. Os linfócitos intestinais intraepiteliais (IELs) ocupam as camadas superiores das barreiras epiteliais e são compostos por IELs naturais (CD8ααTCRγδ) e IELs induzidas (CD8αβTCRαβ e CD4TCRαβ). As IELs são mantidas num estado de ativação de “alerta”, mas controlado, e têm interações recíprocas com as células epiteliais intestinais (IECs) e a microbiota. Há evidências de que as IELs contribuem para a patogénese de distúrbios intestinais, como doença celíaca e doença inflamatória intestinal (DII). No entanto, os estímulos que controlam a atividade das IELs e as vias moleculares envolvidas permanecem por revelar. No contexto de uma infeção parasitária, causada por Eimeria vermiformis que infecta as IECs de ratinho, as IELs induzidas, mas não as IELs naturais, são fortemente ativadas. Curiosamente, após o tratamento com antibióticos de largo espectro, seguido de infeção por E. vermiformis, a proliferação das IELs naturais estava aumentada. Este impulso de proliferação é observado aquando da eliminação das bactérias Gram-positivas, as principais produtoras de ácidos gordos de cadeia curta (SCFA) e lactato. O fenótipo hiperproliferativo também foi observado no contexto de antibióticos e tratamento com Dextran Sulphate Sodium (DSS). No entanto, apenas as IELs naturais foram ativadas e as IELs induzidas não foram afetadas pelo tratamento. É importante ressaltar que o aumento da proliferação das IELs foi revertido com um transplante fecal de microbiota (FMT), após tratamento com antibióticos e infeção em comparação com o grupo sem FMT. As IELs não expressam recetores de SCFA, mas expressam o recetor do peptídeo semelhante ao glucagon 1 (GLP-1R). Os recetores de ácidos gordos e lactato são expressos por células intestinais enteroendócrinas L que produzem GLP-1. Encontrámos mRNA e níveis séricos de GLP-1 aumentados após tratamento com antibióticos e infeção por E. vermiformis ou procedimento com DSS. Além disso, a administração de Ex-9, um antagonista de GLP-1, reduziu a proliferação de IELs naturais. Uma composição diversificada da microbiota é importante para sustentar as IELs e manter seu estado semi-activado sem função efectora. Após a disbiose bacteriana, especialmente a redução de bactérias Gram- positivas, a proliferação de IELs naturais é emancipada e os níveis de GLP-1 estão aumentados. Num futuro próximo, iremos caracterizar a microbiota através de sequenciação de 16S rRNA para compreender a complexidade da comunidade que é responsável por manter as IELs naturais no estado silencioso de ativação. Na ausência dessa comunidade, a proliferação das IELs naturais é amplificada, o que pode levar à inflamação intestinal, como a observada na DII. Portanto, ao manipular a composição da microbiota, será abordada a importância de bactérias específicas e/ou produtos bacterianos que influenciam a ativação e função das IELs naturais. Dessa forma, será possível controlar a proliferação e ativação dessas células para restaurar a homeostase intestinal. Em dezembro de 2019, um novo vírus, o coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave (SARS-CoV-2), foi identificado pela primeira vez num surto em Wuhan, China, sendo responsável pela pandemia de COVID-19. Em Portugal, o primeiro caso foi notificado em março de 2020. Em abril de 2020, começámos a trabalhar para perceber a propagação do vírus, para detetar quem está e quem foi infetado, e para acompanhar longitudinalmente a resposta imunitária. Assim, criámos um sistema fiável e robusto para a deteção de anticorpos anti-SARS-CoV-2 para monitoramento imunológico. Projetamos um ensaio de Enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) para quantificar anticorpos IgM, IgG e IgA contra o domínio de ligação ao recetor SARS-CoV-2 (RBD) ou a proteína Spike (S). Monitorizamos a resposta imune humoral de mais de 300 pacientes hospitalares e profissionais de saúde com COVID-19, 2.500 funcionários da universidade e 198 voluntários pós-COVID-19. A infeção por SARS-CoV-2 induziu um padrão clássico de respostas de anticorpos com um rápido aumento nas primeiras três semanas após os sintomas. Anticorpos IgG anti-SARS-CoV-2 diminuíram em título, embora tenham permanecido robustos com atividade de neutralização confirmada por até 6 meses numa grande proporção de indivíduos previamente triados com vírus positivo. O nosso trabalho fornece informações detalhadas sobre o ensaio, facilitando a análise longitudinal da imunidade protetora ao SARS-CoV-2. É importante ressaltar que o estudo destaca um nível contínuo de anticorpos neutralizantes circulantes na maioria das pessoas com SARS-CoV-2 confirmado.
As respostas imunes adaptativas são suportadas por linfócitos que são compostos por células B e T, que promovem respostas imunes humorais ou celulares, respetivamente. A imunidade adaptativa é caracterizada pelo reconhecimento específico de um patógeno, geração de memória e regulação da homeostase. Os linfócitos desenvolvem-se e são ativados nos órgãos linfoides e também podem re- circular dentro dos tecidos. Os linfócitos intestinais intraepiteliais (IELs) ocupam as camadas superiores das barreiras epiteliais e são compostos por IELs naturais (CD8ααTCRγδ) e IELs induzidas (CD8αβTCRαβ e CD4TCRαβ). As IELs são mantidas num estado de ativação de “alerta”, mas controlado, e têm interações recíprocas com as células epiteliais intestinais (IECs) e a microbiota. Há evidências de que as IELs contribuem para a patogénese de distúrbios intestinais, como doença celíaca e doença inflamatória intestinal (DII). No entanto, os estímulos que controlam a atividade das IELs e as vias moleculares envolvidas permanecem por revelar. No contexto de uma infeção parasitária, causada por Eimeria vermiformis que infecta as IECs de ratinho, as IELs induzidas, mas não as IELs naturais, são fortemente ativadas. Curiosamente, após o tratamento com antibióticos de largo espectro, seguido de infeção por E. vermiformis, a proliferação das IELs naturais estava aumentada. Este impulso de proliferação é observado aquando da eliminação das bactérias Gram-positivas, as principais produtoras de ácidos gordos de cadeia curta (SCFA) e lactato. O fenótipo hiperproliferativo também foi observado no contexto de antibióticos e tratamento com Dextran Sulphate Sodium (DSS). No entanto, apenas as IELs naturais foram ativadas e as IELs induzidas não foram afetadas pelo tratamento. É importante ressaltar que o aumento da proliferação das IELs foi revertido com um transplante fecal de microbiota (FMT), após tratamento com antibióticos e infeção em comparação com o grupo sem FMT. As IELs não expressam recetores de SCFA, mas expressam o recetor do peptídeo semelhante ao glucagon 1 (GLP-1R). Os recetores de ácidos gordos e lactato são expressos por células intestinais enteroendócrinas L que produzem GLP-1. Encontrámos mRNA e níveis séricos de GLP-1 aumentados após tratamento com antibióticos e infeção por E. vermiformis ou procedimento com DSS. Além disso, a administração de Ex-9, um antagonista de GLP-1, reduziu a proliferação de IELs naturais. Uma composição diversificada da microbiota é importante para sustentar as IELs e manter seu estado semi-activado sem função efectora. Após a disbiose bacteriana, especialmente a redução de bactérias Gram- positivas, a proliferação de IELs naturais é emancipada e os níveis de GLP-1 estão aumentados. Num futuro próximo, iremos caracterizar a microbiota através de sequenciação de 16S rRNA para compreender a complexidade da comunidade que é responsável por manter as IELs naturais no estado silencioso de ativação. Na ausência dessa comunidade, a proliferação das IELs naturais é amplificada, o que pode levar à inflamação intestinal, como a observada na DII. Portanto, ao manipular a composição da microbiota, será abordada a importância de bactérias específicas e/ou produtos bacterianos que influenciam a ativação e função das IELs naturais. Dessa forma, será possível controlar a proliferação e ativação dessas células para restaurar a homeostase intestinal. Em dezembro de 2019, um novo vírus, o coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave (SARS-CoV-2), foi identificado pela primeira vez num surto em Wuhan, China, sendo responsável pela pandemia de COVID-19. Em Portugal, o primeiro caso foi notificado em março de 2020. Em abril de 2020, começámos a trabalhar para perceber a propagação do vírus, para detetar quem está e quem foi infetado, e para acompanhar longitudinalmente a resposta imunitária. Assim, criámos um sistema fiável e robusto para a deteção de anticorpos anti-SARS-CoV-2 para monitoramento imunológico. Projetamos um ensaio de Enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) para quantificar anticorpos IgM, IgG e IgA contra o domínio de ligação ao recetor SARS-CoV-2 (RBD) ou a proteína Spike (S). Monitorizamos a resposta imune humoral de mais de 300 pacientes hospitalares e profissionais de saúde com COVID-19, 2.500 funcionários da universidade e 198 voluntários pós-COVID-19. A infeção por SARS-CoV-2 induziu um padrão clássico de respostas de anticorpos com um rápido aumento nas primeiras três semanas após os sintomas. Anticorpos IgG anti-SARS-CoV-2 diminuíram em título, embora tenham permanecido robustos com atividade de neutralização confirmada por até 6 meses numa grande proporção de indivíduos previamente triados com vírus positivo. O nosso trabalho fornece informações detalhadas sobre o ensaio, facilitando a análise longitudinal da imunidade protetora ao SARS-CoV-2. É importante ressaltar que o estudo destaca um nível contínuo de anticorpos neutralizantes circulantes na maioria das pessoas com SARS-CoV-2 confirmado.
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IELs Microbiota GLP-1 SARS-CoV-2 COVID-19 Teses de doutoramento - 2023