Negative regulation of T cell responses in central - ETH E

DISS ETH Nr. 20388
Negative regulation of T cell responses in central
nervous system disease and tissue transplantation
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
SONJA FIRNER
Dipl. Biol. Albert-Ludwig-University of Freiburg
born 01. October 1981
Schramberg, Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Annette Oxenius
Prof. Dr. Burkhard Ludewig
PD Dr. Volker Thiel
2012
1
SUMMARY
Chronic immune response against components of the central nervous system (CNS) is the
feature of several neurodegenerative disorders including multiple sclerosis (MS). MS is
thought to occur in genetically predisposed individuals following exposure to an
environmental trigger including viral infection which leads to activation of self reactive T
cells specific for myelin antigens and their access to the CNS (Lucchinetti et al. 2000). It is
assumed that the indiscriminate regulation of T cells trough regulatory T cells (Tregs) during
viral infection can trigger autoimmune diseases. We analyzed in this study the impact of Treg
cells to control effector T cells infiltration to the CNS and virus-induced CNS pathology.
Infection of the CNS with the neurotropic mouse hepatitis virus strain A59 (MHV A59)
provided an advantageous model in which viral replication is controlled by the immune
response but is however unable to achieve the eradication of the virus, resulting in a persisting
infection associated with ongoing disease in the absence of infectious virus. To analyze the
role of Treg cells in the control the T cell response during a viral infection in the CNS
depletion of Treg (DEREG) mice were used. Injection of diphtheria toxin (DT) led to
depletion of Treg cells during the course of acute MHV A59 infection. We could show that
the viral control was not affected by Tregs. However the lack of Tregs led to an increased
CNS-infiltration of virus unrelated cells leading to increased CNS pathology. By transferring
myelin specific cells, we were able to show that viral infection is able to induce infiltration of
autoreactive T cells to the CNS. Moreover we showed that Treg control the expression of
CXCR3 and proliferation of myelin-specific cells within the CNS-draining LN. Taken
together, the first part of this thesis revealed a novel mechanism how Treg can contribute to
the immune privilege of the CNS, namely by selectively suppressing self reactive T cells
while keeping antiviral immunity unaffected.
5
Summary
In the second part of this thesis, T cell-intrinsic and –extrinsic regulatory circuits during the
interaction of T cells and vascular endothelial cells (ECs) were assessed. This interaction is
important because transplantation of organs is the major medical therapy to treat organ
failure. However, T cell-mediated immune responses to the grafted tissues represent the major
challenge for successful outcome because ECs are severely damaged in the rejection process.
Although the application of general immune suppressive drugs results in the avoidance of
acute rejection they are unable to prevent chronic rejection. Targeting of mechanisms which
induce specific tolerance to grafts could be used to induce lifelong graft tolerance. Therefore,
a better understanding of T cell-intrinsic and -extrinsic control mechanisms could help to
further improve graft survival. Here, we found that the amount of antigen critically determines
the level of tolerance induction to antigen expressed exclusively in ECs. Both adoptively
transferred CD4+ and CD8+ T cells were efficiently tolerized when the antigen was expressed
systemically on ECs. Furthermore the lack of co-inhibition mediated by programmed cell
death (PD-1), B and T lymphocyte attenuator (BTLA) or T regulatory cells (Treg) did not
prevent deletion of mHA specific CD8+ T cells, but modulated initial CD4+ T cell activation.
Heterotopically transplanted heart grafts expressing the mHA in ECs remained
immunologically ignored following transfer of mHA specific CD8+ T cells. However,
ablation of the co-inhibitory molecules BTLA or PD-1 resulted in significant CD8+ T cell
activation leading to transplant vasculopathy (TV). In contrast, mHA specific CD4+ T cells
induced vessel pathology in the presence or absence of negative regulation. These data
indicate that activation of CD4+ and CD8+ T cells is differentially regulated by T cell-intrinsic
negative regulatory factors. Furthermore, the amount of antigen displayed by ECs critically
determines the level of tolerance and the ability negative regulatory factors to modulate
peripheral tolerance.
6
2
ZUSAMMENFASSUNG
Kennzeichnend für viele neurodegenerative Erkrankungen, unter ihnen die Multiple Sklerose
(MS), ist die gegen Bestandteile des Zentralen Nervensystems (ZNS) gerichtete chronische
Immunantwort. Obwohl die Krankheitsursache noch nicht vollständig geklärt werden konnte,
wird ein Zusammenspiel von genetischen Prädispositionen und Umwelteinflüssen,
insbesondere
viralen
Infektionen,
vermutet,
welches
zum
Eindringen
aktivierter
myelinspezifischer T-Zellen in das ZNS führt. Eine Störung der Regulation der TEffektorzellen
durch
regulatorische
T-Zellen
könnte
die
Ursache
dieser
Autoimmunerkrankung sein. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der regulatorischen
T-Zell-Kontrolle auf die durch virale Infektion ausgelöste T-Effektorzellinfiltration in das
ZNS sowie deren Einfluss auf die Entwicklung der ZNS Pathologie untersucht. Dazu wurden
Mäuse mit dem Maus Hepatitis Virus A59, welches sich unter anderem durch Neurotropismus
auszeichnet, infiziert. Die darauffolgende Immunantwort kann zwar das Virus dezimieren, es
jedoch
nicht
beseitigen.
Der
persistierende
Virus
etabliert
eine
fortschreitende
Demyelinisierung und ist daher geeignet, die Ursachen dieses Prozesses zu untersuchen. Um
die Effekte fehlender regulatorischer T-Zellkontrolle im Infektionszeitraum untersuchen zu
können, wurden DEREG Mäuse verwendet, bei denen durch Diptheria Toxin Gabe selektiv
die regulatorischen T-Zellen eliminiert werden. Überraschenderweise hatte die fehlende
Regulation keinen Einfluss auf den Viruskontrollverlauf; es konnte jedoch ein erhöhter
Einstrom virusunspezifischer T-Zellen beobachtet werden, welcher mit einem verstärkten
pathologischen Bild im ZNS einherging. Durch den Transfer von myelinspezifischen T-Zellen
konnte nachgewiesen werden, dass die virale Infektion in der Lage war, autoreaktive T-Zellen
ins ZNS zu rekrutieren.
7
Zusammenfassung
Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Regulation der Aktivierung im drainierenden
Lymphknoten des ZNS stattfindet. Dort kontrollieren regulatorische T-Zellen den
Expressionsgrad des Chemokinrezeptors CXCR3, welcher von T-Zellen für die ZNSInfiltration benötigt wird.
Im zweiten Teil dieser Studie wurden die, während der Endothel-T-Zellinteraktion wirkenden
zelleigenen und zelläußeren Regelwerke untersucht. Dieser Interaktion wird eine besondere
Bedeutung nach Transplantationen beigemessen, da Endothelzellen einen wichtigen
Angriffspunkt für alloreaktive T-Zellen darstellen und dadurch maßgeblich zur häufigsten
Transplantationskomplikation, der Abstoßungsreaktion, beitragen. Heutige Immunsuppresiva
sind zwar in der Lage akute, nicht jedoch chronische Abstoßungsreaktionen zu unterbinden.
Deshalb sind T-Zellkontrollmechanismen vielversprechend, die eine organspezifische und
dadurch lebenslange Toleranz induzieren können. Um dies zu verwirklichen, ist das Wissen
um die von außen und innen wirkenden Kontrollmechanismen von T-Zellen essentiell. Wir
konnten zeigen, dass die Menge des T-Zell reaktiven Antigens, welches nur von
Endothelzellen exprimiert wurde, über die Toleranzstärke entschied. Die systemische
Antigenpräsentation führte zur CD4+- und CD8+-T-Zelltoleranz. Durch Ablation der
coinhibierenden Moleküle PD-1 (programmed cell death-1) und BTLA (B and T cell
attenuator) sowie durch Eliminierung von regulatorischen T-Zellen wurde die CD4+-, nicht
aber die CD8+ T-Zellaktivierung verändert. CD8+-T-Zellen konnten nicht aktiviert werden,
wenn die Antigenexpression auf die Endothelzellen von heterotopischen Herztransplantaten
beschränkt war. Jedoch führte die Ablation der untersuchten coinhibierenden Moleküle zu
CD8+ T-Zellaktivierung, was Gefäßverschlüsse im Transplantat zur Folge hatte. Im
Gegensatz dazu war die CD4+T-Zellaktivierung von den untersuchten costimulierenden
Molekülen unabhängig. Somit legte diese Untersuchung Unterschiede in der CD4+ und CD8+
T-Zellaktivierung offen, welche über zelleeigene und zelläußere Regulation gesteuert wird.
8
Zusammenfassung
Dabei bestimmt die Stärke der Toleranzinduktion, welche über die Menge des Antigens
festgelegt wird, ob T-Zellen für diese Änderungen in der Regulationmaschinerie empfänglich
sind.
9