Innate and adaptive immunity at mucosal surfaces of the female reproductive tract : stratification and integration of immune protection against the transmission of sexually transmitted infections

This review examines the multiple levels of pre-existing immunity in the upper and lower female reproductive tract. In addition, we highlight the need for further research of innate and adaptive immune protection of mucosal surfaces in the female reproductive tract. Innate mechanisms include the mucus lining, a tight epithelial barrier and the secretion of antimicrobial peptides and cytokines by epithelial and innate immune cells. Stimulation of the innate immune system also serves to bridge the adaptive arm resulting in the generation of pathogen-specific humoral and cell-mediated immunity. Less understood are the multiple components that act in a coordinated way to provide a network of ongoing protection. Innate and adaptive immunity in the human female reproductive tract are influenced by the stage of menstrual cycle and are directly regulated by the sex steroid hormones, progesterone and estradiol. Furthermore, the effect of hormones on immunity is mediated both directly on immune and epithelial cells and indirectly by stimulating growth factor secretion from stromal cells. The goal of this review is to focus on the diverse aspects of the innate and adaptive immune systems that contribute to a unique network of protection throughout the female reproductive tract.

Adaptive immunity to rhinoviruses: Sex and age matter

Background: Rhinoviruses (RV) are key triggers in acute asthma exacerbations. Previous studies suggest that men suffer from infectious diseases more frequently and with greater severity than women. Additionally, the immune response to most infections and vaccinations decreases with age. Most immune function studies do not account for such differences, therefore the aim of this study was to determine if the immune response to rhinovirus varies with sex or age. Methods: Blood mononuclear cells were isolated from 63 healthy individuals and grouped by sex and age (≤50 years old and ≥52 years old). Cells were cultured with rhinovirus 16 at a multiplicity of infection of 1. The chemokine IP-10 was measured at 24 h as an index of innate immunity while IFNγ and IL-13 were measured at 5 days as an index of adaptive immunity. Results: Rhinovirus induced IFNγ and IL-13 was significantly higher in ≤50 year old women than in age matched men (p < 0.02 and p < 0.05) and ≥52 year old women (p < 0.02 and p > 0.005). There was no sex or age based difference in rhinovirus induced IP-10 expression. Both IFNγ and IL-13 were negatively correlated with age in women but not in men. Conclusions: This study suggests that pre-menopausal women have a stronger adaptive immune response to rhinovirus infection than men and older people, though the mechanisms responsible for these differences remain to be determined. Our findings highlight the importance of gender and age balance in clinical studies and in the development of new treatments and vaccines.

HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

How the gut links innate and adaptive immunity.

Mucosal surfaces represent the main sites in which environmental microorganisms and antigens interact with the host. Sentinel cells, including epithelial cells, lumenal macrophages, and intraepithelial dendritic cells, continuously sense the environment and coordinate defenses for the protection of mucosal tissues. The mucosal epithelial cells are crucial actors in coordinating defenses. They sense the outside world and respond to environmental signals by releasing chemokines and cytokines that recruit inflammatory and immune cells to control potential infectious agents and to attract cells able to trigger immune responses. Among immune cells, dendritic cells (DC) play a key role in controlling adaptive immune responses, due to their capacity to internalize foreign materials and to present antigens to naive T and B lymphocytes, locally or in draining organized lymphoid tissues. Immune cells recruited in epithelial tissues can, in turn, act upon the epithelial cells and change their phenotype in a process referred to as epithelial metaplasia.

Origins of adaptive immunity

Adaptive immunity, involving distinctive antibody- and cell-mediated responses to specific antigens based on "memory" of previous exposure, is a hallmark of higher vertebrates. It has been argued that adaptive immunity arose rapidly, as articulated in the "big bang theory" surrounding its origins, which stresses the importance of coincident whole-genome duplications. Through a close examination of the key molecules and molecular processes underpinning adaptive immunity, this review suggests a less-extreme model, in which adaptive immunity emerged as part of longer evolutionary journey. Clearly, whole-genome duplications provided additional raw genetic materials that were vital to the emergence of adaptive immunity, but a variety of other genetic events were also required to generate some of the key molecules, whereas others were preexisting and simply co-opted into adaptive immunity.

RNA interference : more than a research tool in the vertebrates' adaptive immunity

In recent years, RNA silencing, usage of small double stranded RNAs of ~21 – 25 base pairs to regulate gene expression, has emerged as a powerful research tool to dissect the role of unknown host cell factors in this 'post-genomic' era. While the molecular mechanism of RNA silencing has not been precisely defined, the revelation that small RNA molecules are equipped with this regulatory function has transformed our thinking on the role of RNA in many facets of biology, illustrating the complexity and the dynamic interplay of cellular regulation. As plants and invertebrates lack the protein-based adaptive immunity that are found in jawed vertebrates, the ability of RNA silencing to shut down gene expression in a sequence-specific manner offers an explanation of how these organisms counteract pathogen invasions into host cells. It has been proposed that this type of RNA-mediated defence mechanism is an ancient form of immunity to offset the transgene-, transposon- and virus-mediated attack. However, whether 1) RNA silencing is a natural immune response in vertebrates to suppress pathogen invasion; or 2) vertebrate cells have evolved to counteract invasion in a 'RNA silencing' independent manner remains to be determined. A number of recent reports have provided tantalizing clues to support the view that RNA silencing functions as a physiological response to regulate viral infection in vertebrate cells. Amongst these, two manuscripts that are published in recent issues of Science and Immunity, respectively, have provided some of the first direct evidences that RNA silencing is an important component of antiviral defence in vertebrate cells. In addition to demonstrating RNA silencing to be critical to vertebrate innate immunity, these studies also highlight the potential of utilising virus-infection systems as models to refine our understanding on the molecular determinants of RNA silencing in vertebrate cells.

Adaptive immunity is related to coronary artery disease severity after acute coronary syndrome in subjects with metabolic syndrome

Metabolic syndrome (MetS) is an inflammatory state associated with high coronary disease risk. Inflammation and adaptive immunity modulate atherosclerosis and plaque instability. We examined early changes in anti-oxidized lowdensity lipoprotein (LDL) (anti-oxLDL) autoantibodies (Abs) in patients with MetS after an acute coronary syndrome (ACS). Patients of both genders (n=116) with MetS were prospectively included after an acute yocardial infarction (MI) or hospitalization due to unstable angina. Anti-oxLDL Abs (IgG class) were assayed at baseline, three and six weeks after ACS. The severity of coronary disease was evaluated by the Gensini score. We observed a decrease in anti-oxLDL Abs titers (p<0.002 vs. baseline), mainly in males (p=0.01), in those under 65 y (p=0.03), and in subjects with Gensini score above median (p=0.04). In conclusion, early decrease in circulating anti-oxLDL Abs is associated with coronary disease severity among subjects with MetS.

Neonatal plasmacytoid dendritic cells at the interface of innate and adaptive immunity = Neonatale plasmazytoide dendritische Zellen - an der Schnittstelle zwischen angeborener und adaptiver Immunität

Human cord blood plasmacytoid dendritic cells (PDC) react to stimulation with CPG A and CPG B with an increase in cell surface activation and maturation markers and cytokine production, similar to adult PDC. Intracellular phosphorylation in neonatal PDC did not benefit from CPG stimulation, in contrast to adult PDC. Cord blood PDC primed with CPG A, CPG B and CD40L do not promote division of autologous T cells contrary to adult PDC. Priming of neonatal PDC with CPG A or CPG B does not induce a clear bias in T helper cell response towards Th1 or Th2 while adult PDC trend towards a Th2 response.

The interaction of Leishmania major parasites with human myeloid cells and its consequence for adaptive immunity

In der vorliegenden Arbeit fokussierten wir uns auf drei verschiedene Aspekte der Leishmanien-Infektion. Wir charakterisierten den Prozess des Zelltods „Apoptose“ bei Parasiten (1), untersuchten die Eignung von Makrophagen und dendritischen Zellen als Wirtszelle für die Entwicklung der Parasiten (2) und analysierten die Konsequenzen der Infektion für die Entstehung einer adaptiven Immunantwort im humanen System. Von zentraler Bedeutung für dieses Projekt war die Hypothese, dass apoptotische Leishmanien den Autophagie-Mechanismus ihrer Wirtszellen ausnutzen, um eine T-Zell-vermittelte Abtötung der Parasiten zu vermindern.rnWir definierten eine apoptotische Leishmanien-Population, welche durch eine rundliche Morphologie und die Expression von Phosphatidylserin auf der Parasitenoberfläche charakterisiert war. Die apoptotischen Parasiten befanden sich zudem in der SubG1-Phase und wiesen weniger und fragmentierte DNA auf, welche durch TUNEL-Assay nachgewiesen werden konnte. Bei der Interaktion der Parasiten mit humanen Makrophagen und dendritischen Zellen zeigte sich, dass die anti-inflammatorischen Makrophagen anfälliger für Infektionen waren als die pro-inflammatorischen Makrophagen oder die dendritischen Zellen. Interessanterweise wurde in den dendritischen Zellen jedoch die effektivste Umwandlung zur krankheitsauslösenden, amastigoten Lebensform beobachtet. Da sowohl Makrophagen als auch dendritische Zellen zu den antigenpräsentierenden Zellen gehören, könnte dies zur Aktivierung der T-Zellen des adaptiven Immunsystems führen. Tatsächlich konnte während der Leishmanien-Infektion die Proliferation von T-Zellen beobachtet werden. Dabei stellten wir fest, dass es sich bei den proliferierenden T-Zellen um CD3+CD4+ T-Zellen handelte, welche sich überraschenderweise als Leishmanien-spezifische CD45RO+ T-Gedächtniszellen herausstellten. Dies war unerwartet, da ein vorheriger Kontakt der Spender mit Leishmanien als unwahrscheinlich gilt. In Gegenwart von apoptotischen Parasiten konnte eine signifikant schwächere T-Zell-Proliferation in Makrophagen, jedoch nicht in dendritischen Zellen beobachtet werden. Da sich die T-Zell-Proliferation negativ auf das Überleben der Parasiten auswirkt, konnten die niedrigsten Überlebensraten in dendritischen Zellen vorgefunden werden. Innerhalb der Zellen befanden sich die Parasiten in beiden Zelltypen im Phagosom, welches allerdings nur in Makrophagen den Autophagie-Marker LC3 aufwies. Chemische Induktion von Autophagie führte, ebenso wie die Anwesenheit von apoptotischen Parasiten, zu einer stark reduzierten T-Zell-Proliferation und dementsprechend zu einem höheren Überleben der Parasiten.rnZusammenfassend lässt sich aus unseren Daten schließen, dass Apoptose in Einzellern vorkommt. Während der Infektion können sowohl Makrophagen, als auch dendritische Zellen mit Leishmanien infiziert und das adaptive Immunsystem aktivert werden. Die eingeleitete T-Zell-Proliferation nach Infektion von Makrophagen ist in Gegenwart von apoptotischen Parasiten reduziert, weshalb sie im Vergleich zu dendritischen Zellen die geeigneteren Wirtszellen für Leishmanien darstellen. Dafür missbrauchen die Parasiten den Autophagie-Mechanismus der Makrophagen als Fluchtstrategie um das adaptive Immunsystem zu umgehen und somit das Überleben der Gesamtpopulation zu sichern. Diese Ergebnisse erklären den Vorteil von Apoptose in Einzellern und verdeutlichen, dass der Autophagie-Mechanismus als potentielles therapeutisches Ziel für die Behandlung von Leishmaniose dienen kann.rn

Immunoglobulin A: a bridge between innate and adaptive immunity

The review summarizes the recent progress that has been made in understanding the function of immunoglobulin A (IgA) in promoting a healthy mutualism with the commensal microbiota and protecting against pathogens. Although IgA is by far the most abundant antibody produced by mammals, direct experimental evidence for its function is still lacking.

Innate and adaptive immunity in host-microbiota mutualism

Healthy individuals live in peaceful co-existence with an immense load of intestinal bacteria. This symbiosis is advantageous for both the host and the bacteria. For the host it provides access to otherwise undigestible nutrients and colonization resistance against pathogens. In return the bacteria receive an excellent nutrient habitat. The mucosal immune adaptations to the presence of this commensal intestinal microflora are manifold. Although bacterial colonization has clear systemic consequences, such as maturation of the immune system, it is striking that the mutualistic adaptive (T and B cells) and innate immune responses are precisely compartmentalized to the mucosal immune system. Here we summarize the mechanisms of mucosal immune compartmentalization and its importance for a healthy host-microbiota mutualism.