Diss. ETH ex. - ETH E

Diss. ETH ex. &
Diss.ETHNa: 11454
PEPTIDE-SPECIFIC MANIPULATION OF THE IMMUNE SYSTEM
T CELL PRIMING VERSUS T CELL TOLERANCE
C;."f
A Dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZURICH
for the
degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Peter Aichele
Dipl. Biol., University
born
in
of Freiburg
(Germany)
April 29,1963
Isny i. A., Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. H. Hengartner, examiner
Prof. Dr. H. Pircher, coexaminer
1996
Reprints:
-PNAS
-
J.
Exp.
(1994),91: 444-448
Med.
(1995), 182: 261-266
Abstracts: -Eur. J. Immunol. (1993),23:1956-1962
-
PNAS
(1994), 91:3137-3141
-5-
SUMMARY
recognize intracellularly processed antigens
T cells
histocompatibility complex (MHC)
depends
application
on
several parameters such
and the
of
use
adjuvant.
tolerance of CD8+
as
or
class I
binding peptide (GP33 peptide),
cytotoxic
local subcutaneous (s.c.)
T
lymphocytes (CTL)
against
a
activated the
intervals induced
complete tolerance
antigenic determinants (epitopes) of
highly specific
without
peptide
likely
nature of the
using adjuvants
were
led to
a
of the
was
of the
the virus
only
achieved when
mice. Loss of tolerance in
"new"
are
CTL in the
relevant for
selective
never
transgenic
same
repetitive
peptide
CTL. Reactivities
and
in IFA in
against other
downregulated indicating
amounts
a
thymus
against tumors
or
not
mice
that
therapeutic
the
(> 500 u.g) of GP33
manner:
and infectious diseases
but
was
was
of
most
permanent in
probably
repopulated
use
due to the
the
peptides
periphery.
in order to
peptide-induced priming of
or
peptide-mediated T cell
graft rejections.
peptide-induced T cell tolerance
mouse
P
model.
Transgenic
may be
RIP-GP mice express the
cells of the pancreas and
a
successful
periphery. Although auto-reactive CTL
potentially
auto-reactive CD8+ CTL
destroy the GP-expressing,
insulin
was
glycoprotein
potentially auto-reactive, GP-specific
develop diabetes spontaneously. However when
with LCMV the
and
In contrast
protected the
prevent autoimmune reactions, the above established tolerization protocol
found in the
they
emulsified in
CTL in vivo and
euthymic mice,
euthymic
GP33-specific
(GP) of LCMV in the
are
peptide
prevented rapid degradation of the peptide. GP33 peptide-
In order to evaluate whether
CTL
not
high
tolerance for intervention in autoimmune diseases and
a
GP33
slow release and
T cells for vaccination
tested in
of
T cell tolerance. Tolerance induction
manipulate the immune system in an antigen-specific
to
MHC
intraveneously and intraperitoneally. The adjuvant
findings
strategy
a
to
coadministered
thymectomized
These
used
we
glycoprotein (GP)
dose of the
specific
were
peptide-mediated
induced tolerance lasted about 3-4 weeks in
generation of
specific
same
of peptide
antigen.
subsequent challenge infection with LCMV.
systemic intraperitoneal (i.p.) application
3-day
model
as a
in vivo.
leading either
in vivo,
derived from the
injection of 50-500 jig
incomplete Freund's adjuvant (EFA)
mice
the surface of other cells. It is well
peptide dose, route and frequency
lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV),
single
peptides presented by major
In order to define parameters
priming
A
on
short
synthetic peptide-antigens are able to both induce and tolerize T cells
known that
This
molecules
as
are
are
present in these mice
RIP-GP mice
are
infected
activated, infiltrate the pancreas
producing P
cells. The mice become
-6-
hyperglycemic
within 8-14
GP mice represent
an
used to test the
was
days after infection and develop
overt
animal model of a virus-induced autoimmune diabetes. This model
efficacy
of peptide-induced T cell tolerance in
immune disease. Before LCMV infection RIP-GP mice
The animals did not
were
preventing
treated three times
GP33
peptide.
only
few infiltrates in the islets of Langerhans and their insulin
a
diabetes. Thus, RIP-
prevented the autoimmune destruction of the p
Therefore
peptide-specific downregulation
tool to intervene in autoimmune diseases
was
for
used to
study
whether
result in
or
not
producing |3
antigen-specific tolerance
other unrelated third party
analysis of spleens
graft rejections. However,
antigen-experienced T cells.
peptide
memory CTL
against
cell
peptide-treated
lymphoid
(PALS)
sheets
was
corresponding peptide antigen
accompanied by
New
a
destroyed. Thus,
induced
it is
a
to be
developed to
powerful
important that
The GP33
are
also
peptide
susceptible
both GP33
peptide
B cell follicles
severe
region
was
of the
and
drastically
treatment of memory CTL with the
immunopathological damages
overcome
a severe
periarteriolar
non-specific immunosuppression rather than antigen-specific
strategies have
T cells in
LCMV immune mice revealed
and the T cell rich
centers were absent
were
similarly abrogated. Immunohistological
were
morphological destruction: the size and number of primary
reduced, germinal
with
treatment of LCMV memory mice did not
since CTL responses
antigens
from GP33
i.p.
cells after LCMV infection.
of T cell responses may represent
antigen-experienced
tolerance. GP33
peptide-induced
or
both naive and
peptide treatment tolerizes
auto¬
develop diabetes after LCMV infection, exhibited
fully intact. Thus, peptide-treatment of RIP-GP mice eliminated auto-reactive
vivo and
an
these
problems
in vivo
tolerance.
and to render peptide-
specific tolerization of memory CTL feasible.
In conclusion, two
immune system in
therapeutic approaches
a
can
be followed in order to
manipulate
peptide-specific manner. First, peptide-specific priming
enhance immune responses
against infectious pathogens
peptide-specific downregulation
or
tumor
the
of T cells to
cells; and second,
of harmful T cell responses to establish tolerance in
autoimmune diseases and transplant rejections.
-7-
ZUSAMMENFASSUNG
T-Zellen erkennen intrazellular
mit
prozessierte Antigene in
Haupthistokompatibilitatskomplex-Molekulen (MHC)
Immunisierung
Zellen. Die
den
gewahlten Parameter,
von
Mausen mit
wie
Peptidmenge,
sowie der Wahl
von
Inaktivierung
spezifischen
Peptid)
der
Adjuvantien, entweder
in
Haufigkeit
cyten (CTL) in vivo
der
Aktivierung
mit der Absicht die exakten
zu
spezifisch,
oder
Freund's
von
50-500 ng
einer
Peptid (GP33
Virus
(LCMV)
der
GP33-Peptid emulgiert
Adjuvant" (IFA) aktivierte die spezifischen
CTL in vivo und
Gegensatz dazu,
repetitive, intraperitoneale (i.p.) Applikation der gleichen Peptidmenge die
da die Aktivitat der T-Zellen
der
spezifischen
GP33-Peptidbehandlung
CTL
emulgierende Adjuvant
zu
einer
hoch
durch
nur
konnte eine
gleichzeitige intravenose
intraperitoneale Verabreichung hoher Peptidmengen (> 500 \Lg) erreicht
fiihrte einerseits
war
gegeniiber anderen Virusdeterminanten (Epitope)
unbeeinflusst blieb. Bei Verzicht auf das
Adjuvant
zu
CD8+ cytotoxischen T-Lympho-
von
CTL. Dieser tolerisierende Effekt der
Tolerisierung
Applikation,
Bedingungen
schiitzte die Mause gegen eine spatere Infektion mit LCM-Virus. Im
spezifischen
von
defmieren.
einmalige, subcutane (s.c.) Verabreichung
tolerisierte eine
Abhanigkeit
T-Zellen. Ein MHC Klasse I bindendes
Modellantigen ausgewahlt,
"Incomplete
einer
zu
peptidvermittelten Aktivierung bzw. Tolerisierung
Eine
auf der Oberflache anderer
Peptidantigenen fuhrt,
Route und
Peptide assoziiert
Glycoprotein (GP) des Lymphocytaren Choriomeningitis
dem
aus
wurde als
in
Form kurzer
werden. Das
langsamen, kontinuierlichen Peptidfreisetzung
verhinderte andererseits einen raschen,
proteolytischen Abbau
der
und
Peptide
und
in vivo. Die
peptidvermittelte Toleranz der CTL war in normalen Mausen von 3-4 wochiger Dauer.
Mausen, denen der Thymus entfernt wurde,
zum
CTL
generiert werden, welche
das
hingegen zeitlich
Thymus
"neue" GP33-
periphere Immunsystem repopulieren und
Verlust der peptidinduzierten T-Zelltoleranz fiihren.
Diese Befunde sind relevant fur eine selektive
zur
die T-Zelltoleranz
Dies weist darauf bin, dass bei Vorhandensein des
unbegrenzt.
spezifische
war
In
antigenspezifischen Manipulation
Aktivierung
oder eine
von
T-Zellen bei der
des
Impfung
therapeutische Anwendung
Immunsystems:
eine
von
Peptiden
peptidinduzierte
gegen Tumorzellen und infektiose
Erreger,
peptidvermittelte T-Zelltoleranz zur Intervention bei Autoimmunerkrankungen
und bei der Transplantatsabstossung.
Um eine
mogliche praktische Anwendbarkeit
Verhinderung
von
Autoimmunreaktionen
der
zu
peptidinduzierten T-Zelltoleranz
iiberpriifen, wurde
zur
das beschriebene
-8-
in einem transgenen Mausmodell getestet.
Tolerisierungsprotokoll
Mause
exprimieren das Glycoprotein (GP)
und weisen
GP-spezifische, potentiell autoreaktive CTL in
spontanen, autoimmunen Diabetes
LCM-Virus aktivierte die
daraufhin die
Langerhans'schen
hyperglykamisch
der
(J-Zellen des Pankreas
Peripherie auf,
ohne einen
entwickeln. Infektion der RIP-GP Mause mit
autoreaktiven CTL. Diese infiltrierten
Inseln des Pankreas und zerstorten die
Die Tiere wurden innerhalb 8-14
Tage
und entwickelten einen dem Diabetes mellitus
GP-
nach Infektion
Typ
I ahnlichen
RIP-GP Mause stellen ein Tiermodell fiir einen virusinduzierten autoimmunen
Diabetes dar, mit welchem eine
Toleranz
zu
GP-spezifischen,
exprimierenden (3-Zellen.
Phanotyp.
des LCM-Virus in den
Transgene RIP-GP
zur
Verhinderung
mogliche Anwendbarkeit
dreimalige, intraperitoneale Applikation
Peptidbehandlung
von
GP33-Peptid
von
Entwicklung
Mausen nach Infektion mit LCM-Virus. Die
T-Zellen infiltriert und die
tolerisierte die
Langerhans'schen
insulinproduzierenden |3-Zellen
Zerstorung
werden kann. Eine
spezifischen
eines autoimmunen Diabetes in RIP-GP
RIP-GP Mausen eliminierte
in vivo und verhinderte die
peptidinduzierten T-Zell-
Autoimmunerkrankung uberpriift
einer
CTL in vivo und verhinderte die
der
Inseln
waren
kaum
waren
vollig
von
intakt. Die
spezifisch die autoreaktiven T-Zellen
|}-Zellen durch cytotoxische T-Lymphocyten
der
nach LCMV-Infektion.
Die
peptidspezifische Tolerisierung
therapeutischer
Ansatz
Transplantatsabstossung
falls die
zu
zur
die
Peptidbehandlung
Frage
verabreichung
Mausen fuhrte
gegen
zu
zu
keiner
antigenerfahrene Gedachtnis-T-Zellen
Peptidbehandlung
antigenspezifischen Toleranz,
der Milz
von
LCMV-memory
da die CTL-Aktivitat sowohl
zeigte eine betrachtliche Gewebezerstorung:
primaren B-Zellfollikel
war
ernsthaften
diese Probleme
Die
umgehen
Gedachtnis-T-Zellen in Zukunft zu
Die
die Grosse
Behandlung von Gedachtnis-T-Zellen mit
nicht
zu
einer
immunpathologischen Schaden,
zu
war.
reduziert, die Keimzentren fehlten vollstandig
Region war zerstort.
Immunsuppression begleitet wurden.
um
Therapie wird aber nur erfolgreich sein,
GP33-Peptid wurde erneut als Modellantigen herangezogen,
entsprechenden Peptidantigen fuhrte
zu
und in der
als auch gegen andere Virusdeterminanten unterdruckt
und die T-Zell-reiche
sondern
Autoimmunerkrankungen
sowohl naive wie auch
in vivo tolerisieren lassen. Die
histologische Analyse
dem
Intervention in
beantworten, ob sich Gedachtnis-T-Zellen durch eine Peptid-
GP33-Peptid
und Zahl der
T-Zellen konnte daher ein bedeutender
darstellen. Eine solche
tolerisieren vermag. Das
um
von
Neue
Strategien
und eine
ermoglichen.
antigenspezifischen Toleranz,
welche
von
einer
allgemeinen
miissen daher entwickelt
werden,
peptidspezifische Tolerisierung
von