Expression of cytokines - ETH E

H65TETH
ex
.#
Diss. ETH No.: 12242
Expression
of
cytokines
in infection with
caprine
arthritis
encephalitis virus
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY,
ZUERICH, SWITZERLAND
for the
degree
of
Doctor of Natural Science
presented by
Franziska Maria Lechner
Dipl.
Natw. ETH
born March 16,1966
citizen of Winterthur,
Accepted
on
Prof. Dr. H.
ZH, Switzerland
the recommendation of
Hengartner,
examiner
Prof. Dr. E. Peterhans, co-examiner
Prof. Dr. R. M.
Zinkernagel,
1997
co-examiner
1.
arthritis
Caprine
and the feline
widespread
as
encephalitis
virus
in the goat
a
lentivirus related to the maedi visna virus
and transmitted via colostrum from mother to kid
population
of goats with CAEV does not
to chronic inflammation of joints,
B
(CAEV) is
(FIV), simian (SIV) and human (HIV) immunodeficiency viruses. CAEV is
horizontally. Infection
The
Summary
lung,
mammary
lymphocytes
well
as
increasing
as
Interestingly, in
numbers
viral RNA
or
mechanisms
hypothesis
inflammation
that
in the infected cell
expression
Macrophages,
which
the
are
over
years
are
dysregulation of cytokines
leading to
major
molecular clone CAEV CO and
CAEV infection of
serves
directly alters
were
mock-infected control cells. Since the
regulatory protein
as
well
as
of interest to evaluate the role of CAEV Tat
cells infected with
a
was
CAEV clone
altered pattern of
example,
on
lacking
brain
on
the
cytokine expression.
was
two
analysis.
chemokines IL-8
reduced
was
compared
suggested
to
to be
patients, it was
of cytokines. No
statistically
suggesting that
Tat is not needed for
Infection of macrophages also led to
which is part of the
immunity,
was
regulatory cytokine
severely reduced
in
macrophages.
additionally primes
might affect the
cytokine
in response to exogenous stimulation. For
expression of IL-12 p40,
These results show that CAEV
cell and
pathogenesis
slot blot
in HIV-infected
expression
IL-12 needed for the establishment of cell-mediated
CAEV-infected
The
infected in vitro with the
Tat of HIV
toxicity
the tat gene,
cytokine expression
the stimulated
expressing
found between cells infected with the wild type CAEV clone and
the observed effects of CAEV
an
its
for human
the pattern of
expression of the
enhanced
expression of TGF-pi
cytokine dysregulation
of
enhanced cell recruitment and tissue inflammation.
host cells in vivo,
to
T and
developed.
may contribute to the
cytokine expression was studied by RNA
macrophages led
significant difference
model
a
as
leads
poorly understood.
and MCP-1 whereas the constitutive
involved in
Because
cells.
of CAEV-infected goats, cells
It is conceivable that CAEV
caprine arthritis.
plasma
of
well
animals, the brain.
not abundant until severe clinical arthritis has
are
maintaining the
We tested the
of
proteins
joints
the
in young
by infiltrates of macrophages,
histopathological similarity, CAEV-induced arthritis
rheumatoid arthritis.
immunodeficiency but
cause
gland and,
chronic inflammation is characterized
progressive
as
effector
as
directly
for altered
well
as
modulates the
cytokine
expression
responses
on
of
cytokines
in the host
exogenous stimulation which
accessory functions of these cells in vivo.
-5-
In
second part of the
a
were
infected
study,
experimental
an
model of CAEV-infection
intravenously and intracarpally and
joint swelling, seroconversion and histological
Additionally,
at
different time
examined in the
carpal joints
days post-infection, viral
time-points,
though
clinical
In
arthritis.
IL-2 and
RNA
IFNy were
to
areas
nodes
detected in
expressing viral
Viral RNA
detected in
by
few cells
viral
containing
were
cytokine
studied.
Twelve
joint
even
severe
lymphocyte-derived
only whereas MCP-1, IL-6 and
RNA-expressing
was
but at later
found in the
the
points. IFNy
load,
mRNA
synovial membranes
were
viral
as
hybridization.
in situ
RNA
up. Goats
again detected in goats with
was
and late time
early
at
a
synovium
of viral RNA and
human rheumatoid arthritis,
to
abundantly expressed both
always co-localized
readily
was
persisted.
analogy
appearance of the
draining lymph
and
various parameters such
expression
the
very few cells
the inflammation
cytokines
were
only
no or
points,
was set
mRNA
TNFct
found to be
was
cells. As mentioned above,
infection of macrophages in vitro with CAEV led to increased expression of IL-8 and MCP1. No IL-8
transcripts
of numerous
were
detected in
virus-expressing cells.
caprine arthritis despite the
In contrast, MCP-1 mRNA
was
presence in
some cases
consistently detected in
regions containing virus-expressing cells, which suggests that this cytokine might be
influenced
A
by viral replication both
striking compartmentalization
cytokine expression.
In certain
in vitro and in vivo.
regions of the synovium
detectable message for TNFa, IL-6
regions the
cells
were
varying activation
ongoing
found to express
finding
fashion,
we
INFy
are
hypothesize
areas
against the
cytokines, probably reflecting
with
an
were
expressed
in
a
restricted
may represent sites with
an
virus. Plasma cell aggregates and
ongoing humoral immune
same
arthritic
predominantly humoral
joint.
response.
A consecutive shift
in the
model of CAEV-infection described in this work could
serve
each time the virus becomes
experimental short-term
as a
valuable tool for future studies
pathogenesis
other, histologically similar,
occur
a
The
in the
that these
areas
at the level of
aggregates.
found to coexist in the
predominantly cellular to
synovium
all of these
mRNA and viral RNA
follicles may represent
Both types of response
a
that
cell-mediated immune response
lymphoid-like
from
some or
synovium
mononuclear cells failed to express
MCP-1 whereas in
or
states of inflammatory cell
On the basis of the
and co-localized
found in the inflamed
was
on
of caprine arthritis.
imune response may
locally activated.
the role of
cytokines
as
well
as
the immune response
Zusammenfassung
2.
Das
Caprine Arthritis Enzephalitis Virus (CAEV) gehOrt
Retroviren. Zum
gleichen
(FIV), des Affen (SIV und
Das CAE Virus ist weit verbreitet in der
(MW)
des Menschen
Ziegenpopulation
der Mutter auf das
von
Genus Lentivirus der
Genus werden auch das Maedi Visna Virus
Immunodefizienzviren der Katze
Kolostrum und Milch
zum
und wird
Neugeborene tibertragen.
(HIV) gezShlt.
vor
Lentiviren
verursacht
persistierenden Infektion,
Lunge und in
Infiltrate
von
CAEV
die sich durch eine chronische
B-Lymphozyten, Makrophagen
dient als Tiermodell fur Rheumatoide Arthritis
Gegensatz
Immunodefizienz, ftihrt aber
keine
Entziindung
selteneren Fallen des Hirns Sussern kann. Die
T- und
allem durch
Eine Infektion kann
aber auch durch engen Kontakt mit infizierten Tieren zustande kommen. Im
anderen
und die
zu
einer
zu
Gelenken, Euter,
von
Entzundungsherde zeigen
und Plasmazellen. Die
Ziegenarthritis
(RA) des Menschen, da das histologische
Erscheinungsbild der Ziegenarthritis demjenigen der RA sehr ahnlich ist. Interessanterweise
findet
man vor
dem Auftreten der klinischen
Zellen im Gelenk. Deshalb wurde
der
Entstehung
Wir
priiften
der
die
Ziegenarthritis
Hypothese,
Zytokinexpression
nur
sehr
wenige
infizierte
postuliert, dass immunpathologische Mechanismen bei
eine Rolle
spielen.
dass die CAEV-Infektion direkt oder indirekt
Zytokindysregulation ftihrt und
CAEV die
Ziegenarthritis
somit die
Pathogenese beeinflusst.
in der Wirtszelle
Zum
modulieren, welches
zu
einer
Beispiel krjnnte
einer verstSrkten
zu
Entztindungsreaktion fuhren konnte.
Makrophagen,
die
wichtigsten Wirtszellen
CAEV Klon infiziert. Danach wurde die
RNA Slot Blot
Analyse studiert
Makrophagen
eine erh6hte
Im
in
vivo, wurden in vitro mit einem molekularen
Expression
Vergleich
Expression
zu
von
verschiedenen
Zytokinen mittels
mock-infizierten Zellen
zeigten infizierte
der Chemokine IL-8 und MCP-1
sowie eine
erniedrigte Expression von TGF-pi.
Das HIV-codierte
Regulatorprotein
Tat kann, zumindest in vitro, die
beeinflussen. Zudem ist dieses Protein
Encephalopathien in AIDS
tat
Gen die
moglicherweise beteiligt
Expression von Zytokinen
in
gleicher
auch ein verandertes
Pathogenese
Weise beeinflusst wie das
von
keine Rolle
zu
Wildtyp
Virus.
signifikanter Unterschied gefunden,
deshalb scheint das Tat Protein bei der beobachteten
Makrophagen
der
Patienten. Wir untersuchten, ob ein CAEV Klon mit deletiertem
Zwischen den beiden Viren wurde kein statistisch
infizierten
an
Zytokinexpression
Zytokindysregulation
in CAEV-
spielen. CAEV-infizierte Makrophagen zeigten
Zytokin-Expressionsmuster als
Antwort auf exogene Stimulation.
Zum
Beispiel
war
die stimulierte
regulatorischen Zytokins IL-12,
Expression
von
IL-12
p40 (eine Untereinheit des
das fur eine zellvermittelte Immunantwort
benotigt wird)
drastisch reduziert.
dass CAEV in vitro sowohl direkt, als auch indirekt
Ergebnisse zeigen,
Diese
Stimulation) das Zytokin-Expressionsmuster seiner Wirtszelle moduliert,
dieser Zellen sowie die
Entstehung
und
Zellzusammensetzung
die Funktion
Entziindungsherden
In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein
Ziegen
experimentelles Modell der CAEV-Infektion
etabliert. Acht Tiere wurden intravenos und
ZusStzlich wurden nattirlich infizierte
Ziegen untersucht.
intracarpal
mit CAEV infiziert.
Parameter wie
Gelenkschwellung,
Serokonversion, Virusmenge, histologische VerSnderungen und die Expression
Zytokinen
die
in
beeintrSchtigen konnte.
vivo
in
von
was
(nach
und viraler RNA den Gelenken und
Gelenkentzttndung
nach
anfanglicher Virusvermehrung
Hybridisierung
wurden untersucht. Obwohl
infizierten Tieren kontinuierlich zunahm, konnte
experimentell
in
Lymphknoten
im spateren Verlauf der Krankheit mittels in situ
keine virale RNA mehr
nachgewiesen werden.
Nur in Gelenken
mit schwerer klinischer Arthritis wurden wieder infizierte Zellen
bei der Rheumatoiden Arthritis des Menschen
Zytokine
IL-2 oder
zeigen konnten,
IL-8 mRNA
dass CAEV in vitro die
Gelenk vorhanden
exprimierten
nur
Dies
Expression
war
IL-8
von
immer auch MCP-1 mRNA
nachgewiesen.
Dieses
wo
Zytokin
Tieren
Aehnlich wie
und TNFa. Obwohl wir
erhdht, konnte
auch dann der Fall,
Hingegen wurde in Regionen,
waren.
gefunden.
von
wenige Synovialzellen die
IFNy, dagegen viele Zellen MCP-1, IL-6
nachgewiesen werden.
von
wenn
in vivo keine
infizierte Zellen im
virale RNA detektiert wurde,
wird deshalb
mcjglicherweise
sowohl in vitro als auch in vivo durch CAEV direkt induziert.
Innerhalb der
Synovialmembran ist die Expression
erfolgt je nach Kompartiment unterschiedlich.
mRNA
von
von
Zytokinen nicht uniform, sondern
Wahrend in
MCP-1, IL-6 und TNFa gefunden wurde,
einigen mononukleare Infiltraten
war
in
anderen, histologisch sehr
ahnlichen, Infiltraten keines dieser Zytokine exprimiert. ZusStzlich wurde, unabhSngig
der
Infektionsdauer, IFNy
vorhanden
war.
mRNA
hauptsachlich dort gefunden,
Moglicherweise findet
in diesen
wo
auch virale RNA
Regionen mit Coexpression
mRNA und viraler RNA eine zellvermittelte antivirale Immunantwort statt. Im
dazu findet wahrscheinlich in
lymphoiden
Follikeln
eine
Immunantworten scheinen
Gelenkes, abzulaufen.
Regionen
humorale
mit einem hohen Anteil
Immunantwort
statt.
an
von
von
IFNy
Gegensatz
Plasmazellen und
Beide
Typen
von
simultan, aber in verschiedenen Regionen des entziindeten
-8-
Diese
Ergebnisse zeigen,
dass die
Ziegenarthritis
nicht ohne weiteres als eine Thl- oder
Th2-vermittelte Krankheiten bezeichnet werden kann. Wahrscheinlich wird,
Virus
neue
wenn
das
Zellen infiziert oder in latent infizierten Zellen reaktiviert wird, zuerst lokal eine
zellvermittelte (Thl oder ThO) und danach eine humorale
(Th2) Immunantwort induziert.
Dieser Mechanismus konnte die sukzessive Akkumulation
von
Plasmazellen im Gelenk
erklaren.
Das hier beschriebene Modell der
werden,
um
experimentellen
die Rolle der Immunantwort und der
Arthritis im Detail
zu
studieren.
Infektion
Zytokine
von
in der
Ziegen kann benutzt
Pathogenese der caprinen