T cell help during secondary antiviral CD8+ T cell responses

DISS. ETH NO. 21550
T cell help during secondary
antiviral CD8+ T cell responses
A dissertation submitted to the
ETH ZÜRICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
GREGOR BEDENIKOVIC
Mag. Biol., University of Innsbruck
Born October 28th, 1983
Citizen of Austria
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Annette Oxenius (examiner)
Prof. Dr. Antonio Lanzavecchia (co-examiner)
Prof. Dr. Burkhard Ludewig (co-examiner)
2013
1.1 English summary
CD8+ T cells are essential to control and eradicate intracellular pathogens and certain types of
cancer. Due to their capacity to differentiate into long-lived memory cells, they are able to
resolve subsequent homologous infections faster and more efficiently than during the primary
response. This is why studying the process of memory CD8+ T cell development and the
requirements of an effective recall response is of great importance for the further
development of effective T cell based vaccines.
Among other factors CD4+ T cells play a crucial role during primary and secondary CD8+ T
cell responses. However, the timing and mechanisms by which they influence CD8+ T cells
may differ in primary and secondary responses and in various experimental models. In this
thesis, we demonstrate that during both, primary and secondary vaccinia virus infection,
CD4+ T cells are necessary to promote CD8+ T cell responses. While CD4+ T cells
contributed to memory CD8+ T cell development, they were even more important during
memory CD8+ T cell recall responses during vaccinia virus challenge, as absence of CD4+ T
cells during viral challenge resulted in markedly decreased proliferation and increased
apoptosis. We found that T cell help during primary and secondary responses was mediated
via CD40 signaling, with dendritic cells being an integral part of that pathway. However, the
overall requirements of T cell help seemed less stringent for memory than for naïve CD8+ T
cells. In contrast to primary CD8+ T cell responses, where only a combination of agonistic
CD40 signaling and provision of IL-2 could substitute for T cell help, agonistic CD40
triggering alone was sufficient to rescue memory CD8+ T cell responses in absence of T cell
help in the context of vaccinia virus infection. In addition, we found evidence that the
CD40:CD40L help signaling during these secondary responses has to be mediated in an
antigen-dependent manner as the presence of antigen-specific CD4+ T cells significantly
increased the CD8+ T cell recall response to vaccinia virus. However, it does not seem to be
necessary that the same dendritic cell presents antigen to memory CD8+ T cells and CD4+ T
cells.
We further assessed the importance of type I IFNs during secondary CD8+ T cell responses
and found that they are able to compensate for the need of T cell help, in a usually helpdependent vaccinia virus infection. That has been shown for primary responses as well and
suggests that the T help-dependence of CD8+ T cell responses to certain viral infections
might be due to the missing induction of type I IFN expression during these infections.
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To further investigate the role of CD4+ T cells and T help, we describe here also a new mouse
model, that allows inducible depletion of CD4+ T cells in vivo, via application of diphteria
toxin.
1.2 Deutsche Zusammenfassung
CD8+ „Killer“ T Zellen repräsentieren einen wichtigen Teil des adaptiven Immunsystems und
sind essenziell zur Bekämpfung von intrazellulären Krankheitserregern und verschiedenen
Arten von Krebs. Aufgrund ihrer Fähigkeit sich in langlebige „Gedächtniszellen“
weiterzuentwickeln, sind sie in der Lage wiederkehrende Infektionen schneller und
effizienter zu bekämpfen als es während der ersten, primären Immunantwort der Fall war.
Daher ist es von grösster Wichtigkeit die Prozesse die zur Ausbildung des immunologischen
Gedächtnisses führen und die Anforderungen dieser verstärkten sekundären Immunantwort
genauer zu untersuchen, da dieses Wissen die Grundlage bildet zur Entwicklung effektiver T
Zell-basierter Impfstoffe.
Neben anderen Faktoren können CD4+ „Helfer“ T Zellen eine wichtige Rolle während
primären und sekundären CD8+ T Zell-vermittelten Immunantworten spielen. Der genaue
Mechanismus, über den CD8+ T Zellen beeinflusst und gesteuert werden, sowie der
Zeitpunkt, wann CD4+ T Zellen Hilfe leisten, könnte aber zwischen primären und sekundären
Immunantworten und in verschiedenen experimentellen Systemen variieren. Daher müssen
diese Aspekte noch näher untersucht werden, was wir in dieser Doktorarbeit auch getan
haben. Wir konnten zeigen, dass für eine erfolgreiche primäre und sekundäre CD8+ T Zellvermittelte Immunantwort gegen Vaccinia Virus CD4+ Helfer T Zellen benötigt werden. Sie
waren dabei essenziell zur Gedächtniszellen Bildung nach der primären Immunantwort, aber
vor allem waren sie nötig, um die sekundäre Immunantwort zu unterstützen. Die
Abwesenheit von CD4+ T Zellen führte dabei zu reduzierter Proliferation (Zell-Teilung) und
erhöhter Apoptose (Zelltod) der Gedächtniszellen. Wir konnten ausserdem zeigen, dass T
Zell Hilfe während primären und sekundären Immunantworten auf gleiche Weise vermittelt
zu werden scheint, via Interaktion von CD4+ T Zellen mit dendritischen Zellen über den
CD40:CD40L Signalweg. Während in primären Immunantworten eine Aktivierung des CD40
Signalweges gemeinsam mit Zurverfügungstellung von IL-2 die T Zell Hilfe ersetzen konnte,
reichte in sekundären Immunantworten bereits das Aktivieren des CD40 Signalweges alleine
aus, um die Immunantwort gegen Vaccinia Virus in Abwesenheit von CD4+ T Zellen zu
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ermöglichen. Der Grund dafür dürften die geringen Anforderungen zur erfolgreichen
Aktivierung von Gedächtniszellen sein. Zusätzlich fanden wir Hinweise, dass die
CD40:CD40L Interaktion Antigen-abhängig erfolgt, da die Anwesenheit von Antigenspezifischen CD4+ T Zellen zu einer signifikant stärkeren sekundären Immunantwort gegen
Vaccinia Virus führte. Es scheint dabei allerdings nicht nötig zu sein, dass dieselbe
dendritische Zelle Antigen an CD8+ Gedächtniszellen und CD4+ T Zellen präsentiert.
In einem weiteren Schritt haben wir auch die Rolle von Typ I Interferon (IFN) für sekundäre
Immunantworten analysiert. Wie es scheint kann Typ I IFN die Abhängigkeit einer
Immunantwort gegen Vaccinia Virus von T Hilfe entkoppeln. Das wurde auch schon bei
primären Immunantworten beobachtet und deutet darauf hin, dass die Abhängigkeit der CD8+
T Zell-vermittelten Immunantwort von T Hilfe während manchen Infektionen darauf beruht,
dass diese Infektionen kein oder wenig Typ I IFN induzieren.
Um die Rolle von CD4+ T Zellen und T Zell Hilfe in Zukunft noch näher untersuchen zu
können, haben wir ein neues Mausmodell etabliert, in dem CD4+ T Zellen via Verabreichung
von Dipherie Toxin zu Apoptose gegentrieben werden und dadurch eliminiert werden
können.
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