Interleukin-17-mediated immune responses - ETH E

DISS. ETH NO. 21664 Interleukin‐17‐mediated immune responses during mucosal C. albicans infection A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by ANDRÉ GLADIATOR Dipl.‐Biol., TU Kaiserslautern born on 05.07.1983, Hamburg, citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof Dr Salomé Regine LeibundGut Prof Dr Maries van den Broek Prof Dr Burkhard Becher 2014 Summary
Patients with primary or acquired immunodeficiencies are prime subjects of fungal infections. Albeit Candida albicans is part of the commensal flora and colonizes mucosal surfaces of healthy individuals without causing disease in most cases, it is one of the most important agents for opportunistic mycoses including fatal systemic infections and chronic candidiasis of the skin and mucosa (CMC) in immunocompromised individuals. As CMC frequently affects patients with defects in the Interleukin‐ (IL‐) 23/IL‐17 axis, IL‐17‐mediated immunity emerged as a common denominator. Prominent sources of IL‐17 include T helper (Th) 17 cells as well as group 3 innate lymphoid cells (ILC3s). Using a mouse model of oropharyngeal candidiasis (OPC) we show that T cells selectively adopt a Th17 phenotype in this particular mucosal tissue. Candida‐specific Th17 cells were found to be non‐
plastic and form stable memory characterized by enhanced expansion and cytokine production during recall responses. Moreover, IL‐17‐producing T cells displayed a memory phenotype and showed enhanced kinetics during effector T cell activation. Recall occurred independently of the route of infection and Th17 cells primed during OPC retained their initial Th17 cytokine profile even during systemic Candida infection that preferentially prime Th1 responses. Determinants of Th17 priming during OPC included IL‐6 and IL‐1R signaling whereas the latter was dispensable during re‐
activation. Furthermore we describe an unexpected role of ILCs in Th17 polarization which we found to modulate T cell differentiation in the oral mucosa and instruct selective Th17 priming by suppressing Th1 responses. To further explore the mechanisms underlying the selective Th17 priming and memory formation during OPC we generated a Candida‐specific t cell receptor (TCR) transgenic mouse ‘HECTOR’ that comprises CD4+ T cells that recognize a native Candida‐derived epitope. It provides a unique tool that allows tracking of Candida‐specific T cells as they develop in the context of infection. The naturally processed peptide ‐ comprised in the alcohol dehydrogenase 1 and conserved amongst Candida spp. ‐ is presented on MHC‐II and activates TCR tg T cells to proliferate and to form effector cells in vivo. Comprehensive understanding of Th17 induction and memory formation during OPC may provide an important basis for the unmet needs of anti‐fungal vaccines. Although Th17 responses are primed efficiently and sustainably in the mouse model of acute infection, we further show that IL‐17‐mediated host protection is conferred by ILCs and not by Th17 cells. IL‐17 cytokines are promptly produced upon infection in an IL‐23–dependent manner and ILCs represent their main source during the early phase of pathogen encounter in the oral mucosa. 1 While absence of CD4+ T cells,  T cells or NKT cells did not affect early IL‐17 production and susceptibility to OPC, lack of ILCs resulted in a complete failure to induce IL‐17 and to control the infection. The data support the critical role of IL‐23/IL‐17 for antifungal immunity and uncover a new cellular basis of IL‐17, which introduces a new angle on the etiology of fungal disease in humans. In summary, our data reveal ILCs as a non‐redundant innate source of IL‐17 during mucosal fungal infections and emphasize the concurrently elicited robustness and longevity of fungus‐specific Th17 responses. Together, this may provide new opportunities in search for innovative therapeutic treatments and vaccine design. Zusammenfassung
Patienten mit primären oder erworbenen Immunschwächen sind besonders von invasiven Pilzinfektionen betroffen. Candida albicans ist Teil der kommensalen Flora und besiedelt Haut und Schleimhäute von gesunden Individuen, ohne dabei offensichtliche Krankheiten auszulösen. Dennoch ist Candida einer der wichtigsten Erreger von opportunistischen Mykosen, die von fatalen systemischen Infektionen bis zu chronischen Kandidosen der Schleimhäute reichen. Patienten mit Defekten in der Interleukin‐ (IL‐) 23/IL‐17‐Achse leiden vermehrt unter letzteren und so entwickelte sich IL‐17‐vermittelte Immunität zu einem gemeinsamen Nenner. T‐Helfer (Th) 17 Zellen und sogenannte „Group 3 Innate Lymphoid Cells“ (ILC3s) sind bedeutende Quellen von IL‐17. In einem Mausmodell für Kandidose des Oropharynx (OPC) zeigen wir, dass die Pilzinfektion der Mund‐ und Rachenschleimhaut selektiv zur Differenzierung von Th17 Zellen führt. Die Candida‐
spezifischen Th17 Zellen entwickelten dabei einen stabilen Phänotyp und formten eine Gedächtnisantwort, die durch erhöhte Zellexpansion und Zytokinproduktion während einer erneuten Infektion geprägt ist. Weiterhin hatten IL‐17‐produzierende T Zellen einen Gedächtniszell‐
ähnlichen Phänotyp und zeigten eine beschleunigte Kinetik bei der Aktivierung von Effektor T Zellen während der Reinfektion. Diese war unabhängig vom Infektionsweg und Th17 Zellen, die während OPC aktiviert wurden, behielten ihren ursprünglichen Phänotyp, sogar während einer systemischen Neuinfektion, die üblicherweise durch die Aktivierung von Th1 Antworten geprägt ist. IL‐6 und IL‐
1R‐vermittelte Signale gehörten zu den bestimmenden Faktoren der Th17 Differenzierung während der oralen Infektion, wobei letztere unabhängig für Gedächtnisantwort waren. Des Weiteren 2 beschreiben wir einen unerwarteten Einfluss von ILCs auf die Polarisierung der T Zell Antwort während OPC, die selektiv Th17 Zellen fördern und Th1 Zellen unterdrücken. Um zu Grunde liegende Mechanismen der selektiven Th17 Aktivierung und Bildung der Gedächtnisantwort besser erforschen zu können, haben wir eine Mauslinie kreiert (HECTOR), dessen CD4+ T Zellen einen transgenen T Zellrezeptor (TCR) exprimieren, der ein natives Epitop aus Candida erkennt. Dies stellt ein einmaliges Hilfsmittel dar, dass es erlaubt die Entwicklung von Candida‐spezifischen T Zellen im Rahmen der Infektion zu verfolgen. Das natürlich prozessierte Peptid, das in der Alkoholdehydrogenase 1 enthalten ist und in Candida spp. konserviert, wird auf MHC‐II präsentiert und veranlasst Proliferation und Differenzierung von TCR‐transgenen Effektor‐T‐Zellen. Ein umfassendes Verständnis der Induktion von Th17 Zellen und der Bildung von Gedächtniszellen während OPC, ist eine wichtige Basis für die Erkundung von noch nicht verfügbaren Vakzinen gegen Pilze. Obwohl Th17 Zellen nachhaltig in dem Mausmodel der akuten Pilzinfektion aktiviert werden, konnten wir weiterhin zeigen, dass IL‐17‐vermittelte Immunität nicht durch Th17 Zellen, sondern durch ILCs gewährt wird. In Abhängigkeit von IL‐23 werden IL‐17 Zytokine umgehend während OPC produziert und ILCs sind deren Hauptquelle in der frühen Phase der Infektion. Während die Abwesenheit von CD4+ T Zellen,  T Zellen und NKT Zellen die prompte IL‐17 Produktion und die Anfälligkeit für OPC nicht beeinträchtigte, führte das Fehlen von ILCs zu einem kompletten Versagen der IL‐17 Induktion, sowie der Kontrolle der Infektion. Die Daten unterstreichen die entscheidende Rolle von IL‐23/IL‐17 während der Immunität gegen Pilze, decken gleichzeitig eine neue zelluläre Basis für IL‐17 auf und eröffnen so einen neuen Blickwinkel auf die Ätiologie von Pilzkrankheiten bei Menschen. Zusammenfassend offenbaren unsere Daten die Wichtigkeit von ILCs als frühe Quelle von IL‐17 während Pilzinfektionen der Schleimhaut und unterstreichen die Robustheit und Langlebigkeit von zugleich aktivierten Pilz‐spezifischen Th17 Zellen. Gemeinsam mag dies neue Aussichten bei der Suche nach innovativen therapeutischen Behandlungen und der Entwicklung von Impfstoffen bieten. 3