Characterising the role of T-cell subsets in experimental allograft rejection and transplantation tolerance

SUMMARY : The recognition by recipient T cells of the allograft major histocompatibility complex (MHC)mismatched antigens is the primary event that ultimately leads to rejection. In the transplantation setting, circulating alloreactive CD4+ T cells play a central role in the initiation and the coordination of the immune response and can initiate the rejection of an allograft via three distinct pathways: the direct, indirect and the recently described semi-direct pathway. However, the exact role of individual CD4+ T-cell subsets in the development of allograft rejection is not clearly defined. Furthermore, besides pathogenic effector T cells, a new subset of T cells with regulatory properties, the CD4+CD25+Foxp3+ (Treg) cells, has come under increased scrutiny over the last decade. The experiments presented in this thesis were designed to better define the phenotype and functional characteristics of CD4+ T-cell subsets and Treg cells in vitro and in vivo in a marine adoptive transfer and skin transplantation model. As Treg cells play a key role in the induction and maintenance of peripheral transplantation tolerance, we have explored whether donor-antigen specific Treg cells could be expanded in vitro. Here we describe a robust protocol for the ex-vivo generation and expansion of antigen-specific Treg cells, without loss of their characteristic phenotype and suppressive function. In our in vivo transplantation model, antigen-specific Treg cells induced donor-specific tolerance to skin allografts in lymphopenic recipients and significantly delayed skin graft rejection in wild-type mice in the absence of any other immunosuppression. Naïve and memory CD4+ T cells have distinct phenotypes, effector functions and in vivo homeostatsis, and thus may play different roles in anti-donor immunity after transplantation. We have analyzed in vitro and in vivo primary alloresponses of naïve and cross-reactive memory CD4+ T cells. We found that the CD4+CD45RBlo memory T-cell pool was heterogeneous and contained cells with regulatory potentials, both in the CD4+CD25+ and CD4+CD25- populations. CD4+ T cells capable of inducing strong primary alloreactive responses in vitro and rejection of a first allograft in vivo were mainly contained within the CD45RBhi naïve CD4+ T-cell compartment. Taken together, the work described in this thesis provides new insights into the mechanisms that drive allograft rejection or donor-specific transplantation tolerance. These results will help to optimise current clinical immunosuppressive regimens used after solid organ transplantation and design new immunotherapeutic strategies to prevent transplant rejection. RÉSUMÉ : ROLE DES SOUS-POPULATIONS DE CELLULES T DANS LE REJET DE GREFFE ET L'INDUCTION DE TOLERANCE EN TRANSPLANTATION La reconnaissance par les cellules T du receveur des alloantigènes du complexe majeur d'histocompatibilité (CMIT) présentés par une greffe allogénique, est le premier événement qui aboutira au rejet de l'organe greffé. Dans le contexte d'une transplantation, les cellules alloréactives T CD4+ circulantes jouent un rôle central dans l'initiation et la coordination de 1a réponse immune, et peuvent initier le rejet par 3 voies distinctes : la voie directe, indirecte et la voie servi-directe, plus récemment décrite. Toutefois, le rôle exact des sous-populations de cellules T CD4+ dans les différentes étapes menant au rejet d'une allogreffe n'est pas clairement établi. Par ailleurs, hormis les cellules T effectrices pathogéniques, une sous-population de cellules T ayant des propriétés régulatrices, les cellules T CD4+CD25+Foxp3+ (Treg), a été nouvellement décrite et est intensément étudiée depuis environ dix ans. Les expériences présentées dans cette thèse ont été planifiées afin de mieux définir le phénotype et les caractéristiques fonctionnels des sous-populations de cellules T CD4+ et des Treg in vitro et in vivo dans un modèle marin de transfert adoptif de cellules et de transplantation de peau. Comme les cellules Treg jouent un rôle clé dans l'induction et le maintien de la tolérance périphérique en transplantation, nous avons investigué la possibilité de multiplier in vitro des cellules Treg avec spécificité antigénique pour le donneur. Nous décrivons ici un protocole reproductible pour la génération et l'expansion ex-vivo de cellules Treg avec spécificité antigénique, sans perte de leur phénotype caractéristique et de leur fonction suppressive. Dans notre modèle in vivo de transplantation de peau, ces cellules Treg pouvaient induire une tolérance spécifique vis-à-vis du donneur chez des souris lymphopéniques, et, chez des souris normales non-lymphopéniques ces Treg ont permis de retarder significativement le rejet en l'absence de tout traitement immunosuppresseur. Les cellules T CD4+ naïves et mémoires se distinguent par leur phénotype, fonction effectrice et leur homéostasie in vivo, et peuvent donc moduler différemment la réponse immune contre le donneur après transplantation. Nous avons analysé in vitro et in vivo les réponses allogéniques primaires de cellules T CD4+ naïves et mémoires non-spécifiques (cross-réactives). Nos résultats ont montré que le pool de cellules T CD4+CD45RB'° mémoires était hétérogène et contenait des cellules avec un potentiel régulateur, aussi bien parmi la sous-population de cellules CD4+CD25+ que CD4+CD25+. Les cellules T CD4+ capables d'induire une alloréponse primaire intense in vitro et le rejet d'une première allogreffe in vivo étaient essentiellement contenues dans le pool de cellules T CD4+CD45RBhi naïves. En conclusion, le travail décrit dans cette thèse amène un nouvel éclairage sur les mécanismes responsables du rejet d'une allogreffe ou de l'induction de tolérance en transplantation. Ces résultats permettront d'optimaliser les traitements immunosuppresseurs utilisés en transplantation clinique et de concevoir des nouvelles stratégies irnmuno-thérapeutiques pour prévenir le rejet de greffe allogénique.

Free-breathing T2 mapping at 3T for the monitoring of cardiac allograft rejection: initial results

rejection can lead to loss of function. Histological reading of endomyocardial biopsy remains the "gold standard" for guiding immunosuppression, despite its methodological limitations (sampling error and interobserver variability). The measurement of the T2 relaxation time has been suggested for detection of allograft rejection, on the pathophysiological basis that the T2 relaxation time prolongs with local edema resulting from acute allograft rejection. Using breath-held cardiac magnetic resonance T2 mapping at 1.5 T, Usman et al. (CircCardiovascImaging2012) detected moderate allograft rejection (grade 2R, ISHLT 2004). With modern immunosuppression grade 2R rejection has become a rare event, but the need remains for a technique that permits the discrimination of absent (grade 0R) and mild rejection (grade 1R). We therefore investigated whether an increase of magnetic field strength to 3T and the use of real-time navigator-gated respiration compensation allow for an increase in the sensitivity of T2 relaxation time detection that is necessary to achieve this discrimination. Methods: Eighteen patients received EMB (Tan et al., ArchPatholLabMed2007) and cardiac T2 mapping on the same day. Reading of T2 maps was blinded to the histological results. For final analysis, 3 cases with known 2R rejection at the time of T2 mapping were added, yielding 21 T2 mapping sessions. A respiration-navigator-gated radial gradient-recalled-echo pulse sequence (resolution 1.17 mm2, matrix 2562, trigger time 3 heartbeats, T2 preparation duration TET2 Prep = 60/30/0 ms) was applied to obtain 3 short-axis T2 maps (van Heeswijk et al., JACCCardiovascImaging2012), which were segmented according to AHA guidelines (Cerqueira et al, Circulation2001). The highest segmental T2 values were grouped according to histological rejection grade and differences were analyzed by Student's t-test, except for the non-blinded cases with 2R rejection. The degree of discrimination was determined using the Spearman's ranked correlation test. Results: The high-quality T2 maps allowed for visual differentiation of the rejection degrees (Figure 1), and the correlation of T2 mapping with the histological grade of acute cellular rejection was significant (Spearman's r = 0.56, p = 0.007). The 0R (n = 15) and 1R (n = 3) degrees demonstrated significantly different T2 values (46.9 ± 5.0 and 54.3 ± 3.0 ms, p = 0.02, Figure 2). Cases with 2R rejection showed clear T2 elevation (T2 = 60.3 ± 16.2 ms). Conclusions: This pilot study demonstrates that non-invasive free-breathing cardiac T2 mapping at 3T discriminates between no and mild cardiac allograft rejection. Confirmation of these encouraging results in a larger cohort should consider a study able to show equivalency or superiority of T2 mapping.