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Background
Regulatory CD4\(^+\)CD25\(^+\)FoxP3\(^+\) T cells (Treg) are a subgroup of T lymphocytes involved in maintaining immune balance. Disturbance of Treg number and impaired suppressive function of Treg correlate with Parkinson’s disease severity. Superagonistic anti-CD28 monoclonal antibodies (CD28SA) activate Treg and cause their expansion to create an anti-inflammatory environment.
Methods
Using the AAV1/2-A53T-α-synuclein Parkinson’s disease mouse model that overexpresses the pathogenic human A53T-α-synuclein (hαSyn) variant in dopaminergic neurons of the substantia nigra, we assessed the neuroprotective and disease-modifying efficacy of a single intraperitoneal dose of CD28SA given at an early disease stage.
Results
CD28SA led to Treg expansion 3 days after delivery in hαSyn Parkinson’s disease mice. At this timepoint, an early pro-inflammation was observed in vehicle-treated hαSyn Parkinson’s disease mice with elevated percentages of CD8\(^+\)CD69\(^+\) T cells in brain and increased levels of interleukin-2 (IL-2) in the cervical lymph nodes and spleen. These immune responses were suppressed in CD28SA-treated hαSyn Parkinson’s disease mice. Early treatment with CD28SA attenuated dopaminergic neurodegeneration in the SN of hαSyn Parkinson’s disease mice accompanied with reduced brain numbers of activated CD4\(^+\), CD8\(^+\) T cells and CD11b\(^+\) microglia observed at the late disease-stage 10 weeks after AAV injection. In contrast, a later treatment 4 weeks after AAV delivery failed to reduce dopaminergic neurodegeneration.
Conclusions
Our data indicate that immune modulation by Treg expansion at a timepoint of overt inflammation is effective for treatment of hαSyn Parkinson’s disease mice and suggest that the concept of early immune therapy could pose a disease-modifying option for Parkinson’s disease patients.
Genetic deficiency for acid sphingomyelinase or its pharmacological inhibition has been shown to increase Foxp3\(^+\) regulatory T-cell frequencies among CD4\(^+\) T cells in mice. We now investigated whether pharmacological targeting of the acid sphingomyelinase, which catalyzes the cleavage of sphingomyelin to ceramide and phosphorylcholine, also allows to manipulate relative CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatory T-cell frequencies in humans. Pharmacological acid sphingomyelinase inhibition with antidepressants like sertraline, but not those without an inhibitory effect on acid sphingomyelinase activity like citalopram, increased the frequency of Foxp3\(^+\) regulatory T cell among human CD4\(^+\) T cells in vitro. In an observational prospective clinical study with patients suffering from major depression, we observed that acid sphingomyelinase-inhibiting antidepressants induced a stronger relative increase in the frequency of CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatory T cells in peripheral blood than acid sphingomyelinase-non- or weakly inhibiting antidepressants. This was particularly true for CD45RA\(^-\) CD25\(^{high}\) effector CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatory T cells. Mechanistically, our data indicate that the positive effect of acid sphingomyelinase inhibition on CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatory T cells required CD28 co-stimulation, suggesting that enhanced CD28 co-stimulation was the driver of the observed increase in the frequency of Foxp3+ regulatory T cells among human CD4\(^+\) T cells. In summary, the widely induced pharmacological inhibition of acid sphingomyelinase activity in patients leads to an increase in Foxp3+ regulatory T-cell frequencies among CD4\(^+\) T cells in humans both in vivo and in vitro.
In rodents, low doses of CD28-specific superagonistic monoclonal antibodies (CD28 superagonists, CD28SA) selectively activate regulatory T cells (Treg). This observation has recently been extended to humans, suggesting an option for the treatment of autoimmune and inflammatory diseases. However, a mechanistic explanation for this phenomenon is still lacking. Given that CD28SA amplify T cell receptor (TCR) signals, we tested the hypothesis that the weak tonic TCR signals received by conventional CD4\(^{+}\) T cells (Tconv) in the absence of cognate antigen require more CD28 signaling input for full activation than the stronger TCR signals received by self-reactive Treg. We report that in vitro, the response of mouse Treg and Tconv to CD28SA strongly depends on MHC class II expression by antigen-presenting cells. To separate the effect of tonic TCR signals from self-peptide recognition, we compared the response of wild-type Treg and Tconv to low and high CD28SA doses upon transfer into wild-type or H-2M knockout mice, which lack a self-peptide repertoire. We found that the superior response of Treg to low CD28SA doses was lost in the absence of self-peptide presentation. We also tested if potentially pathogenic autoreactive Tconv would benefit from self-recognition-induced sensitivity to CD28SA stimulation by transferring TCR transgenic OVA-specific Tconv into OVA-expressing mice and found that low-dose CD28SA application inhibited, rather than supported, their expansion, presumably due to the massive concomitant activation of Treg. Finally, we report that also in the in vitro response of human peripheral blood mononuclear cells to CD28SA, HLA II blockade interferes with the expansion of Treg by low-dose CD28SA stimulation. These results provide a rational basis for the further development of low-dose CD28SA therapy for the improvement of Treg activity.
Acute graft-versus-host disease (aGvHD) is a major cause of morbidity and mortality after allogeneic hematopoietic stem cell plus T cell transplantation (allo-HSCT). In this study, we investigated the requirement for CD28 co-stimulation of donor CD4\(^{+}\) conventional (CD4\(^{+}\)CD25\(^{-}\)Foxp3\(^{-}\), Tconv) and regulatory (CD4\(^{+}\)CD25\(^{+}\)Foxp3\(^{+}\), Treg) T cells in aGvHD using tamoxifen-inducible CD28 knockout (iCD28KO) or wild-type (wt) littermates as donors of CD4\(^{+}\) Tconv and Treg. In the highly inflammatory C57BL/6 into BALB/c allo-HSCT transplantation model, CD28 depletion on donor CD4\(^{+}\) Tconv reduced clinical signs of aGvHD, but did not significantly prolong survival of the recipient mice. Selective depletion of CD28 on donor Treg did not abrogate protection of recipient mice from aGvHD until about day 20 after allo-HSCT. Later, however, the pool of CD28-depleted Treg drastically declined as compared to wt Treg. Consequently, only wt, but not CD28-deficient, Treg were able to continuously suppress aGvHD and induce long-term survival of the recipient mice. To our knowledge, this is the first study that specifically evaluates the impact of CD28 expression on donor Treg in aGvHD. Moreover, the delayed kinetics of aGvHD lethality after transplantation of iCD28KO Treg provides a novel animal model for similar disease courses found in patients after allo-HSCT.
Thymus-derived natural Foxp3\(^{+}\) CD4\(^{+}\) regulatory T cells (nTregs) play a key role in maintaining immune tolerance and preventing autoimmune disease. Several studies indicate that dendritic cells (DCs) are critically involved in the maintenance and proliferation of nTregs. However, the mechanisms how DCs manage to keep the peripheral pool at constant levels remain poorly understood. Here, we describe that the NF-κB/Rel family transcription factor RelB controls the frequencies of steady-state migratory DCs (ssmDCs) in peripheral lymph nodes and their numbers control peripheral nTreg homeostasis. DC-specific RelB depletion was investigated in CD11c-Cre × RelB\(^{fl/fl}\) mice (RelB\(^{DCko}\)), which showed normal frequencies of resident DCs in lymph nodes and spleen while the subsets of CD103\(^{-}\) Langerin\(^{-}\) dermal DCs (dDCs) and Langerhans cells but not CD103\(^{+}\) Langerin\(^{+}\) dDC of the ssmDCs in skin-draining lymph nodes were increased. Enhanced frequencies and proliferation rates were also observed for nTregs and a small population of CD4\(^{+}\) CD44\(^{high}\) CD25\(^{low}\) memory-like T cells (Tml). Interestingly, only the Tml but not DCs showed an increase in IL-2-producing capacity in lymph nodes of RelB\(^{DCko}\) mice. Blocking of IL-2 in vivo reduced the frequency of nTregs but increased the Tml frequencies, followed by a recovery of nTregs. Taken together, by employing RelB\(^{DCko}\) mice with increased frequencies of ssmDCs our data indicate a critical role for specific ssmDC subsets for the peripheral nTreg and IL-2\(^{+}\) Tml frequencies during homeostasis.
Immature or semi-mature dendritic cells (DCs) represent tolerogenic maturation stages that can convert naive T cells into Foxp3\(^{+}\) induced regulatory T cells (iTreg). Here we found that murine bone marrow-derived DCs (BM-DCs) treated with cholera toxin (CT) matured by up-regulating MHC-II and costimulatory molecules using either high or low doses of CT (CT\(^{hi}\), CT\(^{lo}\)) or with cAMP, a known mediator CT signals. However, all three conditions also induced mRNA of both isoforms of the tolerogenic molecule cytotoxic T lymphocyte antigen 2 (CTLA-2α and CTLA-2β). Only DCs matured under CT\(^{hi}\) conditions secreted IL-1β, IL-6 and IL-23 leading to the instruction of Th17 cell polarization. In contrast, CT\(^{lo}\)- or cAMP-DCs resembled semi-mature DCs and enhanced TGF-β-dependent Foxp3\(^{+}\) iTreg conversion. iTreg conversion could be reduced using siRNA blocking of CTLA-2 and reversely, addition of recombinant CTLA-2α increased iTreg conversion in vitro. Injection of CT\(^{lo}\)- or cAMP-DCs exerted MOG peptide-specific protective effects in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) by inducing Foxp3\(^{+}\) Tregs and reducing Th17 responses. Together, we identified CTLA-2 production by DCs as a novel tolerogenic mediator of TGF-β-mediated iTreg induction in vitro and in vivo. The CT-induced and cAMP-mediated up-regulation of CTLA-2 also may point to a novel immune evasion mechanism of Vibrio cholerae.
Die Arteriosklerose ist ein chronisch entzündlicher Prozess der Gefäßwand, in dem CD4+CD25+FoxP3+ regulatorische T-Zellen („\(T_{reg}\)“) eine atheroprotektive Rolle spielen. Durch exogenen \(T_{reg}\)-Transfer konnten andere Gruppen eine Reduktion der Arteriosklerose nachweisen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Aktivität der endogenen Treg durch spezielle Antikörper modifiziert, ihr Einfluss auf die Entwicklung arteriosklerotischer Plaques in ApoEko-Mäusen untersucht sowie eine mögliche Abhängigkeit dieser Wirkung vom zellulären Immunstatus des Wirts geprüft.
Im Abstand von 28 Tagen wurde weiblichen ApoEko-Mäusen zweimal der CD28-spezifische superagonistische monoklonale Antikörper D665 injiziert, um eine polyklonale Vermehrung ihrer \(T_{reg}\) anzuregen. In einer zweiten Versuchsreihe wurden endogene \(T_{reg}\) zweimal im Abstand von 28 Tagen durch Gabe eines CD25-spezifischen Antikörpers (PC61) zunächst depletiert und jeweils 7 Tage später durch D665 geboostert, um den Effekt der \(T_{reg}\) auf ein initial Treg defizientes Tiermodell zu testen. Verglichen wurde mit der alleinigen Treg-Depletion durch PC61 sowie mit einem Kontrollantikörper (Isotyp-IgG, MOPC). Die Quantifizierung der Arterioskleroseentwicklung erfolgte mittels Planimetrie der Plaquefläche der Aorta. Die Wirksamkeit der Antikörper auf die \(T_{reg}\)-Konzentrationen wurde mittels FACS-Analysen aus Blut und Milz untersucht.
Nach alleiniger \(T_{reg}\)-Amplifikation durch D665-Injektion zeigte sich kein Unterschied in der prozentualen Plaquefläche im Vergleich zur Kontrollgruppe. Auch eine alleinige Depletion mit PC61 zeigte keine Veränderungen in der Läsionsfläche. Durch Kombination beider Antikörper jedoch kam es nach Treg-Depletion mittels PC61, gefolgt von Treg-stimulierender D665-Behandlung, zu einer signifikanten Verminderung der prozentualen Plaquefläche der Aorta um 32,02% im Vergleich zur MOPC Kontrolle und um 28,73% im Vergleich zur alleinigen \(T_{reg}\)-Depletion mit PC61+MOPC. Die FACS-Analysen bestätigten eine signifikante Depletion durch PC61-Injektion sowie eine signifikante Zunahme der Treg eine Woche nach D665-Injektion.
Die Stimulation regulatorischer T-Zellen in einem Treg-defizienten arteriosklerotischen Tiermodell reduzierte die aortale arteriosklerotische Läsionsfläche signifikant. In der immunkompetenten ApoEko Maus jedoch bewirkte die alleinige Vermehrung oder die alleinige Depletion regulatorischer T-Zellen keine messbare Veränderung in der Plaqueentwicklung. Diese Arbeit zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen der Wirksamkeit regulatorischer T-Zellen und der inflammatorischen Veränderung der Gefäßwand besteht.
Zu den gefährlichen Komplikationen der Masern gehört die selten vorkommende ZNS-Erkrankung subakute sklerosierende Panenzephalitis (SSPE), die erst mehrere Jahre nach einer akuten Masernvirusinfektion auftritt. Die SSPE verläuft immer tödlich und bis heute gibt es keine spezifische Therapie gegen diese Erkrankung. Unsere Arbeitsgruppe hat ein Modell für eine persistierende, virale ZNS-Infektion entwickelt, in dem 2-Wochen-alte, immunologisch normale C57BL/6-Mäuse mit einem rekombinanten, neurotropen Masernvirus (MV), das das Hämagglutinin eines an Nagern angepassten MV-Stammes enthält, intrazerebral (i.c.) infiziert werden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die Rolle regulatorischer CD4+ CD25+ Foxp3+ T-Zellen (Treg) in diesem Mausmodell analysiert und untersucht, ob die persistierende ZNS-Infektion durch Manipulation peripherer Treg beeinflusst werden kann. Außerdem wurde ein IFN-y-ELISPOT-Assay etabliert, der CD8+ zytotoxische T-Zellen (CTL) identifiziert, die spezifisch für die MV-Hämagglutinin-Epitope MV-H22-30 (RIVINREHL) bzw. MVH446-454 (SNHNNVYWL) sind. In Bezug auf das erstgenannte Epitop wurde desweiteren eine Pentamer-Färbung etabliert, um CTLs mit Hilfe der Durchflusszytometrie zu identifizieren, die H-2Db-gekoppelte MV-H22-30-Epitope erkennen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, dass sich trotz eines hohen Anteils Masern-spezifischer CTLs und nur sehr wenigen Treg im Gehirn eine persistierende ZNSInfektion ausbildet. Periphere Treg wurden während der persistierenden Phase der ZNS-Infektion expandiert bzw. depletiert und die Konsequenzen für die Virus-spezifische Immunantwort sowie das Ausmaß der persistierenden Infektion wurden analysiert. Die Expansion von Treg mit Hilfe des superagonistischen anti-Maus CD28 Antikörpers D665 verursachte eine transiente Immunsuppression, die die Virus-Replikation sowie -Ausbreitung im Gehirn verstärkte. Im Gegensatz dazu führte die Depletion von Treg in DEREG-Mäusen mittels Diphtherietoxin zu einem erhöhten Anteil Virus-spezifischer CTLs im Gehirn sowie zu einer Reduktion der persistierenden ZNS-Infektion. Diese Daten zeigen, dass Treg die Fähigkeit besitzen, die Persistenz von MV im Gehirn zu kontrollieren und somit möglicherweise Teil eines Therapiekonzeptes gegen ZNS-Infektionen mit dem Masernvirus sein können. Frühere Studien unserer Arbeitsgruppe haben außerdem gezeigt, dass das durch IFN-y induzierbare Enzym Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) antivirale Aktivitäten gegen MV aufweist. Dies wurde in dieser Doktorarbeit in vivo in unserem Mausmodell anhand von IDOk.o.-Tieren bestätigt, die nach i.c. Infektion nicht nur eine erhöhte Mortalitätsrate aufwiesen sondern auch in den überlebenden Tieren eine verstärkte persistierende ZNS-Infektion zeigten.
Background: Alveolar echinococcosis, caused by Echinococcus multilocularis larvae, is a chronic disease associated with considerable modulation of the host immune response. Dendritic cells (DC) are key effectors in shaping the immune response and among the first cells encountered by the parasite during an infection. Although it is assumed that E. multilocularis, by excretory/secretory (E/S)-products, specifically affects DC to deviate immune responses, little information is available on the molecular nature of respective E/S-products and their mode of action. Methodology/Principal Findings: We established cultivation systems for exposing DC to live material from early (oncosphere), chronic (metacestode) and late (protoscolex) infectious stages. When co-incubated with Echinococcus primary cells, representing the invading oncosphere, or metacestode vesicles, a significant proportion of DC underwent apoptosis and the surviving DC failed to mature. In contrast, DC exposed to protoscoleces upregulated maturation markers and did not undergo apoptosis. After pre-incubation with primary cells and metacestode vesicles, DC showed a strongly impaired ability to be activated by the TLR ligand LPS, which was not observed in DC pre-treated with protoscolex E/S-products. While none of the larvae induced the secretion of pro-inflammatory IL-12p70, the production of immunosuppressive IL-10 was elevated in response to primary cell E/S-products. Finally, upon incubation with DC and naive T-cells, E/S-products from metacestode vesicles led to a significant expansion of Foxp3+ T cells in vitro. Conclusions: This is the first report on the induction of apoptosis in DC by cestode E/S-products. Our data indicate that the early infective stage of E. multilocularis is a strong inducer of tolerance in DC, which is most probably important for generating an immunosuppressive environment at an infection phase in which the parasite is highly vulnerable to host attacks. The induction of CD4+CD25+Foxp3+ T cells through metacestode E/S-products suggests that these cells fulfill an important role for parasite persistence during chronic echinococcosis.
Toleranz gegenüber Selbstantigenen in den peripheren Geweben kann durch CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatorische T-Zellen (Tregs) vermittelt werden. Diese Zellen entstehen entweder in Folge der thymischen T-Zellselektion (natürlich vorkommende Tregs, nTreg) oder durch Konversion aus naiven T-Zellen in den peripheren lymphatischen Organen (induzierte Tregs, iTregs). Im Vorfeld der Arbeit war bereits bekannt, dass Dendritische Zellen (DZ) eine wichtige Rolle bei der Generierung von iTreg spielen. Allerdings bestand weitestgehend Unklarheit darüber, welche DZ in welchem Reifungszustand dazu in der Lage sind, iTregs gegen peripher-exprimierte Selbstantigene zu induzieren. Steady-state migratorische DZ (ssmDZ) gelten in dieser Hinsicht als potentielle Kandidaten, da bekannt ist, dass diese DZ bereits unter homöostatischen Bedingungen Selbstantigene aus peripheren Geweben in die drainierenden Lymphknoten transportieren und dort T-Zellen präsentieren können. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, den Phänotyp und die tolerogene Kapazität der ssmDZ in den hautdrainierenden Lymphknoten näher zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass ssmDZ einen semireifen MHC IIint CD40hi CD80/CD86int CCR7+ Phänotyp aufweisen und in vitro mit Hilfe von endogenem TGF-β iTregs induzieren können. Darüber hinaus belegt diese Arbeit zusammen mit weiteren Daten aus unserer Arbeitsgruppe, dass ssmDZ in transgenen K5mOVA-Mäusen zellassoziertes epidermales OVA aus der Haut in die drainierenden Lymphknoten transportieren und dort an CD4+ OVA-spezifische TZR-transgene OT-II T-Zellen präsentieren können. Innerhalb der ssmDZ konnten die Langerin+ dermalen DZ als die DZ-Subpopulation eingegrenzt werden, die für die Konversion von naiven OT-II T-Zellen in CD4+ CD25+ Foxp3+ iTregs verantwortlich war. Ferner zeigte sich, dass CD103 nicht als Marker für ssmDZ in den hautdrainierenden Lymphknoten herangezogen werden kann. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, herauszufinden, welchen Einfluss der Transkriptionsfaktor RelB auf die partielle Reifung und Migration der ssmDZ hat. RelB ist ein Mitglied der NF-κB-Familie und wird mit der Reifung von DZ in Verbindung gebracht. Erste Experimente zeigten eine nukleäre Translokation von RelB in ssmDZ sowie eine verringerte Frequenz dieser DZ in den hautdrainierenden Lymphknoten von relB+/- Mäusen und Mäusen mit einer Defizienz für den RelB-Bindungspartner p52. Allerdings konnte bei Mäusen mit einer DZ-spezifischen RelB-Inaktivierung (RelBDCko Mäuse) eine erhöhte Frequenz an ssmDZ in den hautdrainierenden Lymphknoten festgestellt, die nicht auf einer Zunahme an DZ in der Haut der Tiere zurückzuführen war. Diese Ergebnisse legen einerseits die Vermutung nahe, dass es sich bei den beobachteten Effekte in den relB+/- Mäusen um DZ-extrinsische Auswirkungen auf die ssmDZ handelt. Andererseits scheint RelB unter homöostatischen Bedingungen die Erhaltung und Migration der ssmDZ eher negativ zu beeinflussen. Weitere durchflusszytometrische Analysen wiesen zudem darauf hin, dass RelB in ssmDZ die Expression von Reifungsmarkern nur partiell reguliert. So konnte auf den ssmDZ in den hautdrainierenden Lymphknoten von RelBDCko Mäusen eine erhöhte Expression von CD40 beobachtet werden, während andere Reifungsmarker wie MHC II, CD80 und CD86 nicht signifikant in ihrer Expression betroffen waren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zudem untersucht, wie sich eine RelB-Defizienz in DZ auf die Homöostase und Induktion von Tregs auswirkt. Die hierzu analysierten RelBDCko Mäuse wiesen eine erhöhte Frequenz und absolute Zellzahl an Tregs in allen untersuchten lymphatischen Organen (hautdrainierende Lymphknoten, Milz und Thymus) auf. Darüber hinaus war in diesen Organen auch eine verstärkte Proliferation der Tregs gegenüber den Kontrolltieren festzustellen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Proliferation der Tregs in RelBDCko Mäusen in den hautdrainierenden Lymphknoten sogar stärker ausfiel als in der Milz. RelB scheint somit die tolerogene Kapazität der DZ zur Regulation der Treg-Expansion im Thymus und in der Peripherie zu beeinflussen. Unter Verwendung von neutralisierenden αIL-2-Antikörpern konnte zudem belegt werden, dass die periphere Proliferation der Tregs in den RelBDCko Mäusen von IL-2 abhängig ist. Damit einhergehend zeigten erste Vorversuche eine erhöhte IL-2-Produktion in den peripheren lymphatischen Organen von RelBDCko Mäusen. Zusammenfassend legen die Daten dieser Arbeit den Schluss nahe, dass ssmDZ in den hautdrainierenden Lymphknoten in der Lage sind, Toleranz durch Induktion von iTregs gegen epidermale Selbstantigene zu induzieren. Untersuchungen an neuartigen Mäusen mit einer konditionalen RelB-Inaktivierung spezifisch in DZ deuten darauf hin, dass die Migration und Reifung von ssmDZ partiell durch RelB reguliert wird. Da Tregs eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der peripheren Toleranz einnehmen, ist die Beobachtung, dass eine RelB-Defizienz in allen DZ zu einer verstärkten Treg-Proliferation und somit zu einer veränderten Treg-Homöostase führt, ein intererssanter Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen.