Stephanie Haack

• The adaptive immune system is known to provide highly specific and effective immunity against a broad variety of pathogens due to different effector cells. The most prominent are CD4+ T-cells which differentiate after activation into distinct subsets of effector and memory cells, amongst others T helper 1 (Th1) cells. We have recently shown that mouse as well as human Th1 cells depend on T cell receptor (TCR) signals concomitant with CD28 costimulation in order to secrete interferon  (IFN) which is considered as their main effector function.The adaptive immune system is known to provide highly specific and effective immunity against a broad variety of pathogens due to different effector cells. The most prominent are CD4+ T-cells which differentiate after activation into distinct subsets of effector and memory cells, amongst others T helper 1 (Th1) cells. We have recently shown that mouse as well as human Th1 cells depend on T cell receptor (TCR) signals concomitant with CD28 costimulation in order to secrete interferon  (IFN) which is considered as their main effector function. Moreover, there is a class of anti-CD28 monoclonal antibodies that is able to induce T cell (re-)activation without concomitant TCR ligation. These so-called CD28-superagonists (CD28-SA) have been shown to preferentially activate and expand CD4+ Foxp3+ regulatory T (Treg) cells and thereby efficaciously conferring protection e.g. against autoimmune responses in rodents and non-human primates. Considering this beneficial effect, CD28-SA were thought to be of great impact for immunotherapeutic approaches and a humanized CD28-SA was subjected to clinical testing starting with a first-in-man trial in London in 2006. Unexpectedly, the volunteers experienced life-threatening side effects due to a cytokine release syndrome (CRS) that was unpredicted by the preclinical studies prior to the trial. Retrospectively, CD4+ memory T cells within the tissues were identified as source of pro-inflammatory cytokines released upon CD28-SA administration. This was not predicted by the preclinical testing indicating a need for more reliable and predictive animal models. Whether mouse CD4+ T cells are generally irresponsive to CD28-SA stimulation or rather the lack of a bona fide memory T cell compartment in cleanly housed specific-pathogen-free (SPF) mice is the reason why the rodent models failed to predict the risk for a CRS remained unclear. To provide SPF mice with a true pool of memory/effector T cells, we transferred in vitro differentiated TCR-transgenic OT-II Th1 cells into untreated recipient mice. Given that Treg cells suppress T cell activation after CD28- SA injection in vivo, recipients were either Treg-competent or Treg-deficient, wild type or DEREG mice, respectively. Subsequent CD28-SA administration resulted in induction of systemic pro-inflammatory cytokine release, dominated by IFN, that was observed to be much more pronounced and robust in Treg-deficient recipients. Employing a newly established in vitro system mirroring the in vivo responses to CD28-SA stimulation of Th1 cells revealed that antigen-presenting cells (APCs) amplify CD28-SAinduced IFN release by Th1 cells due to CD40/CD40L-interactions. Thus, these data are the first to show that mouse Th1 cells are indeed sensitive to CD28-SA stimulation in vivo and in vitro responding with strong IFN release accompanied by secretion of further pro-inflammatory cytokines, which is compatible with a CRS. In conclusion, this study will facilitate preclinical testing of immunomodulatory agents providing a mouse model constituting more “human-like” conditions allowing a higher degree of reliability and translationability.…
• Das adaptive Immunsystem ermöglicht mittels hocheffektiver, antigen-spezifischer Mechanismen und unterschiedlicher Effektorzellen den Schutz vor einer nahezu unbegrenzten Vielfalt von Pathogenen. Die Hauptakteure stellen hierbei CD4+ T-Zellen dar, welche nach Aktivierung distinkte Effektorpopulationen, unter anderem Th1 Zellen, bilden. Wir zeigten kürzlich, dass sowohl für Maus- als auch humane Th1-Zellen CD28-Kostimulation mit zeitgleicher T-Zellrezeptor (TZR)-Aktivierung essentiell für die Sekretion von Interferon  (IFN), derenDas adaptive Immunsystem ermöglicht mittels hocheffektiver, antigen-spezifischer Mechanismen und unterschiedlicher Effektorzellen den Schutz vor einer nahezu unbegrenzten Vielfalt von Pathogenen. Die Hauptakteure stellen hierbei CD4+ T-Zellen dar, welche nach Aktivierung distinkte Effektorpopulationen, unter anderem Th1 Zellen, bilden. Wir zeigten kürzlich, dass sowohl für Maus- als auch humane Th1-Zellen CD28-Kostimulation mit zeitgleicher T-Zellrezeptor (TZR)-Aktivierung essentiell für die Sekretion von Interferon  (IFN), deren Haupteffektorfunktion, ist. Allerdings sind monoklonale anti-CD28 Anti-körper bekannt, die auch ohne TZR-Signal T-Zellen aktivieren können. Diese sogenannten CD28 Supera-gonisten (CD28-SA) aktivieren und expandieren vorrangig CD4+ Foxp3+ regulatorische T-Zellen (Treg) und vermitteln wirksamen Schutz vor z.B. Autoimmunreaktionen in Nagern und Primaten. Um diesen erfolgversprechenden Effekt für immuntherapeutische Ansätze nutzen zu können, wurde 2006 in Lon-don eine erste klinische Erprobung eines humanisierten CD28-SA begonnen. Unerwarteterweise zeigten sich bei den Probanden lebensbedrohliche Nebenwirkungen, die Ausdruck eines Zytokin-Ausschüttungs-Syndroms (Cytokine Release Syndrome, CRS) waren, welches durch die vorangegangenen präklinischen Studien nicht vorhersagbar war. Rückblickend konnte die Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine auf CD4+ Gedächtnis-T-Zellen im Gewebe zurückgeführt werden, die so auf die Gabe des CD28-SA reagier-ten. Die unvorhersehbare Reaktion im Menschen zeigt deutlich, dass verlässlichere und prädiktivere Tiermodelle unverzichtbar sind. Ob Maus CD4+-T-Zellen möglicherweise nicht durch CD28-SA stimulier-bar sind oder dieser fehlgeleiteten Einschätzung über das mögliche Risiko eines CRS eher das Fehlen eines echten CD4+ Gedächtnis-T-Zellen-Kompartiments in sauber gehaltenen spezifischen-Pathogen-freien (SPF) Mäusen zugrunde liegt, ist bisher ungeklärt. Um in SPF-Mäusen ein Gedächtnis-T-Zell-Kompartiment zu etablieren, wurden in vitro-differenzierte Th1 Zellen, die TZR-transgenen OT-II-Mäusen entstammen, in unbehandelte Empfängermäuse transferiert. Da bekannt ist, dass Treg-Zellen die Aktivierung von T-Zellen nach Anwendung von CD28-SA in vivo supprimieren, wurden Treg-kompetente (wildtypische) oder -defiziente (DEREG) Empfänger verwendet. Die anschließend erfolgte Injektion von CD28-SA löste die systemische Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine aus, wobei eine stark erhöhter IFN-Konzentration im Serum zu beobachten war, welche deutlich ausgeprägter und robuster bei den Treg-defizienten Empfängern ausfiel. Ein neu etabliertes in vitro-System, welches die in vivo Antwort der Th1-Zellen auf CD28-SA-Stimulation widerspiegelt, identifizierte Antigen-präsentierende Zellen (APZs) als essentiellen Faktor für die erhöhte IFN-Sekretion der Th1-Zellen nach CD28-SA-Stimulation in Abhängigkeit von CD40/CD40L-Interaktionen. Zusammenfassend zeigt diese Thesis zum ersten Mal, dass Maus Th1 Zellen sowohl in vivo als auch in vitro durch CD28 SA stimulierbar sind, wodurch eine starke IFN-Sekretion induziert wird, die von der gesteigerten Ausschüttung anderer pro-inflammatorischer Zytokine begleitet wird und in Abwesenheit von Treg einem CRS gleicht. Folglich kann diese Erkenntnis die präklinische Forschung bei der Erprobung neuer immuntherapeutischer Ansät-ze durch ein neues Mausmodell voranbringen, das dem menschlichen erfahreneren Immunsystem mehr als bisherige Modelle entspricht und somit verlässlichere Vorhersagen erlaubt und eine verbesserte Übertragbarkeit von Maus zu Mensch ermöglicht.…