Studies on the role of the complement component C1q in chronic infection and fibrosis of the lung

Prüfer, Fenja Marie Elisabeth (2025): Studies on the role of the complement component C1q in chronic infection and fibrosis of the lung. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine

Abstract

Die idiopathische Lungenfibrose (IPF) ist eine seltene chronisch progressive Erkrankung der Lunge. Sie betrifft hauptsächlich Personen ab 50 Jahren, hat eine schlechte Prognose und geht mit einer starken Einschränkung der Lebensqualität einher. Die Ätiologie ist unbekannt und die Therapieoptionen sind limitiert. Derzeit sind lediglich zwei neuartige Medikamente zugelassen, die die Progression von IPF zwar verlangsamen, aber nicht aufhalten können. Die einzige kurative Therapie besteht in der Lungentransplantation. Das weitere Erforschen der molekularen Mechanismen trägt zur Entdeckung neuer Strategien zur Diagnostik und Therapie von IPF bei. C1q ist eine Untereinheit des Komplementfaktors C1, die weithin für ihre Funktion als Initiator der Komplementkaskade des angeborenen Immunsystems bekannt ist. C1q hat jedoch viele weitere Funktionen. Es kann zum Beispiel apoptotische Zellen für die Phagozytose markieren und Einfluss auf die Regulation vieler Signalwege und Prozesse nehmen. In vorangegangenen Experimenten unseres Labors gab es Hinweise auf die Beteiligung von C1q an der Entstehung von Lungenfibrose. Die Expression von C1qa, das für C1QA, eine Untereinheit von C1q, codiert, war im Lungenfibrose-Mausmodell bereits in der frühen Phase der Fibroseentwicklung erhöht. In den Lungen der Mäuse, die keine Fibrose entwickelten, war die Expression von C1qa zu diesem Zeitpunkt jedoch normwertig. Wir untersuchten daraufhin in dieser Doktorarbeit die Rolle von C1q in der Entwicklung von Lungenfibrose und die zugrundliegenden Mechanismen. Zunächst maßen wir im Mausmodell die Genexpression, die intrazellulären Level und die Level von C1QA im Bronchioalveolarraum mit qRT-PCR,Western Blot und ELISA während der Entwicklung der Lungenfibrose. Es wurden erhöhte Werte für C1QA im Bronchioalveolarraum der Mäuse, die Lungenfibrose entwickelten, gefunden. Die Genexpression und intrazellulären Level waren hingegen nur gering verändert. Daraufhin untersuchten wir, welche Zellen für die Produktion von C1QA in der Lunge verantwortlich sind und bestätigten die Makrophagen mittels Immunhistochemie als maßgebliche Produzenten. Die C1QA Sekretion ließ sich in Zellkulturexperimenten durch M2-Polarisierung der Makrophagen verstärken und durch M1-Polarisierung verringern. M2-polarisierte Makrophagen sind der vorherrschende Phänotyp in der Lungenfibrose. Die Genexpression und intrazellulären Level von C1QA wurden durch Makrophagenpolarisierung hingegen kaum verändert. Da C1q von den Makrophagen sezerniert wird, schien es wahrscheinlich, dass das C1q einen Effekt auf benachbarte Zellen im Sinne von interzellulärem Crosstalk ausüben könnte. Deshalb behandelten wir in Zellkulturexperimenten pulmonale Makrophagen, Epithelzellen und Fibroblasten mit verschiedenen Konzentrationen von C1q und untersuchten die Auswirkungen. Wir konnten durch Behandlung mit C1q eine Induktion von Apoptose, nicht aber von Nekrose in den Epithelzellen und Makrophagen im Metabolischen Aktivitäts Assay, im Cytotoxizitäts Assay und im Apoptose und Nekrose Assay nachweisen. Die anderen im Zusammenhang mit der Lungenfibrose untersuchten Prozesse und Signalwege wurden durch Behandlung mit C1q nicht beeinflusst. So blieben Marker für Wnt-Signaling, zelluläre Seneszenz, epithelial-mesenchymale Transition und Produktion von extrazellulärer Matrix in der qRT-PCR Analyse unverändert. Ein Wundheilungsassay gab außerdem keinen Anhalt für einen Effekt von C1q auf die Fibroblastenmigration. Die erhöhte Sekretion von C1q durch Makrophagen während der Entwicklung der pulmonalen Fibrose lässt darauf schließen, dass C1q an der Entstehung von Lungenfibrose beteiligt sein könnte. Ein dafür zugrunde liegender Mechanismus könnte die Induktion von Apoptose in den Alveolarepithelzellen durch C1q sein. Dieser Mechanismus sollte in Zukunft in primären Zellen und im Tiermodell validiert werden. Insgesamt stellt die Inhibierung der Funktion von C1q eine denkbare zukünftige Therapiemöglichkeit für die idiopathische Lungenfibrose dar.

Abstract

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a rare chronic progressive disease of the lung. IPF mainly affects people over the age of 50, has a poor prognosis, and it is associated with a severe reduction in quality of life. The etiology is unknown and the therapeutic options are limited. To date, there are only two known drugs that have shown to slow down the progression of IPF but are unable to completely eliminate it. The only curative therapy is a lung transplant. Further investigating the molecular mechanisms may contribute to the discovery of new strategies for the diagnosis and treatment of IPF. C1q is a subunit of complement factor C1, widely known for its function as the initiator of the complement cascade of the innate immune system. However, C1q also has many other functions. For example, it can mark apoptotic cells for phagocytosis, and influence the regulation of many signaling pathways and processes. In previous experiments of our laboratory, it was found that C1q might be involved in the development of pulmonary fibrosis. In a mouse model of pulmonary fibrosis, the expression of C1qa, which encodes for C1QA, a subunit of C1q, was increased in the lungs of mice at the early phase of fibrosis development. However, in the lungs of mice that did not develop fibrosis, C1q expression was unaltered at this point of time. Hereupon, in this dissertation, we investigated the role of C1q in the development of pulmonary fibrosis and the underlying mechanisms. First, we measured the gene expression, the cell-associated levels of C1QA, and the levels of C1QA in the bronchoalveolar space in a mouse model using qRT-PCR, Western Blot, and ELISA during the development of pulmonary fibrosis. Elevated levels of C1QA were found in the bronchoalveolar space of the mice that developed pulmonary fibrosis. In contrast, its gene expression and cell-associated levels were only slightly changed. We then investigated which cells were responsible for C1QA production in the lung and confirmed macrophages as the major source of production by immunohistochemistry. The C1QA secretion was found enhanced by M2-polarization of macrophages and decreased by M1-polarization in cell culture experiments. M2-polarized macrophages are the predominant phenotype in pulmonary fibrosis. However, gene expression and cell-associated levels of C1QA were only mildly altered by macrophage polarization. Because C1q is secreted by macrophages, it seemed likely that C1q might exert an effect on neighboring cells in terms of intercellular crosstalk. Therefore, we treated pulmonary macrophages, epithelial cells, and fibroblasts with different concentrations of C1q and performed metabolic activity assays, cytotoxicity assays, and apoptosis and necrosis assays in cell culture, and studied the effects. In the epithelial cells and macrophages, we observed increased apoptosis rates after treatment with C1q. Necrosis rates, however, were not significantly altered. The other processes and signaling pathways studied in the context of pulmonary fibrosis were not affected by treatment with C1q. Thus, markers for Wnt-signaling, cellular senescence, epithelial-mesenchymal transition, and extracellular matrix production remained unchanged in qRT-PCR analysis. A wound healing assay also showed no evidence for an effect of C1q on fibroblast migration. The increased secretion of C1q by macrophages during the development of pulmonary fibrosis suggests that C1q may be involved in the development of pulmonary fibrosis. One underlying mechanism could be the induction of apoptosis in the alveolar epithelial cells by C1q. In future studies, this mechanism should be validated in primary cells and in animal models. Overall, inhibition of the function of C1q could pose a possible future therapeutic method for the treatment of idiopathic pulmonary fibrosis.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Lunge, Fibrose, IPF, C1q, Komplementfakor
• Subjects: 600 Technology, Medicine; 600 Technology, Medicine > 610 Medical sciences and medicine
• Faculties: Faculty of Medicine
• Language: English
• Date of oral examination: 7. May 2025
• 1. Referee: Adler, Heiko
• Signature of the printed copy: 0700/UMD 22772