Authors:	Wegner, Anja
Title:	Cellular mechanisms of antigen-specific immunotherapy of autoimmune disease
Online publication date:	11-Feb-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	The ideal treatment of autoimmune diseases, such as Multiple Sclerosis, would be to specifically target the disease-causing immune cells without compromising the broader function of the immune system. This could be achieved by either deleting these cells or transform them into regulatory cells able to ameliorate disease. In the TCR-transgenic TG4 mouse model, where CD4+ T cells are specific for the myelin basic protein (MBP) Ac1-9 peptide, immunotherapy based on the administration of cognate peptide in escalating dose immunotherapy (EDI), induces tolerance in these myelin-specific CD4+ T cells and protects the animals from experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). In this thesis, three aspects of this method of tolerance induction are addressed. First, we demonstrate that antigen-specific peptide immunotherapy leads to an increase in the number of CD4+ Foxp3+ Treg cells and IL-10-secreting CD4+ T cells not just in secondary lymphoid structures, but in organs throughout the whole body. In addition to an increase in the number of CD4+ T cells with regulatory properties, effector T cells were prevented from entering the central nervous system (CNS). Analysis of changes to the phenotype of CD4+ T cells during EDI demonstrated that the inhibitory receptors TIM-3, TIGIT and PD-1 were significantly upregulated on both IL-10-secreting cells and Foxp3+ cells but no single receptor or a combination could be regarded as a biomarker for tolerised CD4+ T cells. In the second part, we demonstrate the important principle that tolerised CD4+ T cells can mediate regulation of not only T cells specific for the treatment peptide, but also CD4+ T cells that recognise immunodominant peptides from related proteins. We found that tolerised MBP-specific CD4+ T cells were able to exert linked bystander suppression of MOG35-55-reactive T cells in vivo, most successfully so when both peptides where presented by the same antigen-presenting cell. Finally, we reveal a previously unknown role for a subset of antigen-presenting cells with regulatory properties, known as polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cells (PMN-MDSCs) in limiting immune responses after EDI. Although best known for their detrimental role as immunosuppressors in cancer, PMN-MDSCs could play a beneficial role in the treatment of autoimmune disease. We discovered that the number of PMN-MDSCs increases over the course of EDI. In vitro, these PMN-MDSCs inhibited CD4+ T cell proliferation in a cell contact-dependent manner, mediated by arginase-1. Upon adoptive transfer into untreated mice, PMN-MDSCs suppressed CD4+ T cell activation. The spleen might be a particularly important site for the function of PMN-MDSCs as the removal of the spleen abrogated not only the increase of PMN-MDSCs in other organs, but also reneged tolerance induction. Overall, this body of work not only contributes new insights into the changes in CD4+ T cell phenotype during EDI, it also reveals a new aspect of bystander suppression in autoimmune disease and, most importantly, unveils the discovery of an as-yet undescribed role for PMN-MDSCs in antigen-specific tolerance induction. Die ideale Behandlung von Autoimmunerkrankungen, wie die multiple Sklerose (MS), wäre die krankheitserzeugende Immunzelle anzusteuern ohne die generelle Funktion des Immunsystem zu beeinflussen. Dies könnte erreicht werden durch entweder die Beseitigung der pathogenen Zellen oder die Transformation dieser Zellen in krankheitsregulierende Immunzellen, die in der Lage sind die Krankheit zu mildern. In dem T-Zell-Antigenrezeptor transgenen Mausmodel Tg4, in dem die CD4+ T-Zellen spezifisch das Myelin-Basische-Proteinpeptid (MBP) Ac1-9 erkennen, Immuntherapie basierend auf der Verabreichung des Peptids MBPAc1-9 in steigenden Dosen (EDI) induziert Toleranz in diesen myelinspezifischen T-Zellen und verhindert die Entwicklung von experimenteller autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), dem Tiermodell für MS. In dieser Dissertation werden drei Aspekte dieser Methode, Toleranz zu erreichen, addressiert. Als Erstes zeigten wir, dass antigen-spezifische Peptideimmuntherapie zu einem Anstieg in der Anzahl der CD4+ Foxp3+ regulatorischen T-Zellen und der Interleukin 10 (IL-10)-produzierenden CD4+ T-Zellen nicht nur in sekundären lymphoiden Strukturen führt sondern auch in Organen im ganzen Körper. Zusätzlich zu dem Anstieg von CD4+ T-Zellen mit regulierenden Eigenschaften, verhinderte die Behandlung die Migration von Effektor-T-Zellen in das zentrale Nervensystem (CNS). Die genauere Analyse des CD4+ T-Zellphänotyps während EDI zeigte, dass die Zelloberflächenrezeptoren TIM-3, TIGIT und PD-1 signifikant hochreguliert wurden in beiden IL-10-produzierenden Zellen und Foxp3+ T-Zellen aber das keiner der Rezeptoren oder eine Kombination der Rezeptoren als Biomarker für tolerisierte CD4+ T-Zellen fungieren kann. Im zweiten Teil weisen wir das wichtige Prinzip nach, dass tolerisierte CD4+ T-Zellen nicht nur T-Zellen regulieren, die spezifisch sind für das Peptid welches für die Behandlung gebraucht wurde, sondern auch CD4+ T-Zellen regulieren, die immundominante Peptide von verwandten Proteinen erkennen. Wir beobachteten, dass tolerisierte MBP-spezifische CD4+ T-Zellen in der Lage waren Bystander-Unterdrückung von MOG35-55-spezifischen CD4+ T-Zellen in vivo auszuüben, zumeist besser wenn beide Peptide von der gleichen antigenpräsentierenden Zelle präsentiert wurden. Zum Schluss deckten wir eine bisher noch nicht bekannte Rolle von einer Subpopulation von antigenpräsentierenden Zellen mit regulierenden Eigenschaften auf, bekannt als polymorphonukleare myeloide Unterdrückerzellen (PMN-MDSCs), die Immunantworten nach EDI hemmen. Obwohl bestens bekannt für ihre nachteilige Rolle als Immununterdrücker in Krebs, diese PMN-MDSCs könnten eine förderliche Rolle in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen spielen. Wir stellten fest, dass die Anzahl von PMN-MDSCs steigt im Verlauf von EDI. In vitro Experimente zeigten, dass diese PMN-MDSCs zellkontaktabhängige CD4+ T-Zellenproliferation inhibieren, vermittelt durch das Enzym Arginase 1. PMN-MDSCs verhinderten T-Zellenaktivierung nach adoptiven Transfer in unbehandelte Mäuse. Die Milz könnte ein wichtiger Ort sein für die Funktion von PMN-MDSCs, weil die Entfernung der Milz nicht nur die Expansion der PMN-MDSCs in anderen Organen verhindert, sondern auch Toleranzinduzierung. Insgesamt liefert diese Dissertation nicht nur neue Einblicke in die Veränderungen des CD4+ T-Zellphänotyps im Verlauf von EDI, sondern zeigt auch einen neuen Aspekt von Bystander-Unterdrückung in Autoimmunerkrankungen auf. Aber noch viel bedeutender ist die Entdeckung einer noch nicht beschriebenen Rolle für PMN-MDSCs in antigenspezifischer Toleranzinduzierung.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2806
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009998
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VI, 160 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen