Monitoring of human CD4 T cell responses in metastatic melanoma and arthritic patients

SUMMARY : Detailed knowledge of the different components of the immune system is required for the development of new immunotherapeutic strategies. CD4 T lymphocytes represent a highly heterogeneous group of cells characterized by various profiles of cytokine production and effector vs. regulatory functions. They are central players in orchestrating adaptive immune responses: unbalances between the different subtypes can lead either to aggressive autoimmune disorders or can favour the uncontrolled growth of malignancies. In this study we focused on the characterization of human CD4 T cells in advanced stage melanoma patients as well as in patients affected by various forms of autoimmune inflammatory spondyloarthropathies. In melanoma patients we report that a population of FOXP3 CD4 T cells, known as regulatory T cells, is overrepresented in peripheral blood, and even more in tumor-infitrated lymph nodes as well as at tumor sites, as compared to healthy donors. In tumor-infiltrated lymph nodes, but not in normal lymph nodes or in peripheral blood, FOXP3 CD4 T cells feature a highly differentiated phenotype (CD45RA-CCR7+/-), which suggests for a recent encounter with their cognate antigen. FOXP3 CD4 T cells have been described to be an important component of the several known immune escape mechanisms. We demonstrated that FOXP3 CD4 T cells isolated from melanoma patients exert an in vitro suppressive action on autologous CD4 T cells, thus possibly inhibiting an efficient anti-tumor response. Next, we aimed to analyse CD4 T cells at antigen-specific level. In advanced stage melanoma patients, we identified for the first time, using pMHCII multimers, circulating CD4 T cells specific for the melanoma antigen Melan-A, presented by HLA-DQB1 *0602. Interestingly, in a cohort of melanoma patients enrolled in an immunotherapy trails consisting of injection of a Melan-A derived peptide, we did not observe signif cant variations in the ex vivo frequencies of Melan-A specific CD4 T cells, but important differences in the quality of the specific CD4 T cells. In fact, up to 50% of the ex vivo Melan-A/DQ6 specific CD4 T cells displayed a regulatory phenotype and were hypoproliferative before vaccination, while more effector, cytokine-secreting Melan-A/DQ6 specific CD4 T cells were observed after immunization. These observations suggest that peptide vaccination may favourably modify the balance between regulatory and effector tumor-specific CD4 T cells. Finally, we identified another subset of CD4 T cells as possible mediator of pathology in a group of human autoimmune spondyloarthropathies, namely Th17 cells. These cells were recently described to play a critical role in the pathogenesis of some marine models of autommunity. We document an elevated presence of circulating Th17 cells in two members of seronegative spondyloarthropathies, e.g. psoriatic arthritis and ankylosing spondylitis, while we do not observe increased frequencies of Th17 cells in peripheral blood of rheumatoid arthritic patients. In addition, Th17 cells with a more advanced differentiation state (CD45RA-CCR7-CD27-) and polyfunctionality (concomitant secretion of IL-17, IL-2 and TNFα) were observed exclusively in patients with seronegative spondylarthropathies. Together, our observations emphasize the importance of CD4 T cells in various diseases and suggest that immunotherapeutic approaches considering CD4 T cells as targets should be evaluated in the future.

Repeated exposure to Lutzomyia intermedia sand fly saliva induces local expression of interferon-inducible genes both at the site of injection in mice and in human blood.

During a blood meal, Lutzomyia intermedia sand flies transmit Leishmania braziliensis, a parasite causing tegumentary leishmaniasis. In experimental leishmaniasis, pre-exposure to saliva of most blood-feeding sand flies results in parasite establishment in absence of any skin damages in mice challenged with dermotropic Leishmania species together with saliva. In contrast, pre-immunization with Lu. intermedia salivary gland sonicate (SGS) results in enhanced skin inflammatory exacerbation upon co-inoculation of Lu. intermedia SGS and L. braziliensis. These data highlight potential unique features of both L. braziliensis and Lu. intermedia. In this study, we investigated the genes modulated by Lu. intermedia SGS immunization to understand their potential impact on the subsequent cutaneous immune response following inoculation of both SGS and L. braziliensis. The cellular recruitment and global gene expression profile was analyzed in mice repeatedly inoculated or not with Lu. intermedia. Microarray gene analysis revealed the upregulation of a distinct set of IFN-inducible genes, an immune signature not seen to the same extent in control animals. Of note this INF-inducible gene set was not induced in SGS pre-immunized mice subsequently co-inoculated with SGS and L. braziliensis. These data suggest the parasite prevented the upregulation of this Lu. intermedia saliva-related immune signature. The presence of these IFN-inducible genes was further analyzed in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) sampled from uninfected human individuals living in a L. braziliensis-endemic region of Brazil thus regularly exposed to Lu. intermedia bites. PBMCs were cultured in presence or absence of Lu. intermedia SGS. Using qRT-PCR we established that the IFN-inducible genes induced in the skin of SGS pre-immunized mice, were also upregulated by SGS in PBMCs from human individuals regularly exposed to Lu. intermedia bites, but not in PBMCs of control subjects. These data demonstrate that repeated exposure to Lu. intermedia SGS induces the expression of potentially host-protective IFN-inducible genes.

Arginase as a marker of disease severity in human leishmaniasis

The leishmaniases are a group of diseases transmitted by the bite of Leishmania infected female phlebotomine sand flies. The diseases occur in different forms: localized, diffuse and muco-cutaneous leishmaniasis, and visceral leishmaniasis (VL). Inside macrophages, the main host cells of the obligate intracellular Leishmania parasites, nitric oxide synthase and arginase can regulate parasite killing or growth. In experimental leishmaniasis, we previously reported that non-healing disease is associated with higher arginase activity at site of pathology, correlating with local suppression of T cell function. To test whether these data translate to human leishmaniasis, the following study was initiated: I first tested the hypothesis that local suppression of T cell responses observed in persistent CL is associated with arginase induced L-arginine depletion. The results showed that arginase activity is increased at site of pathology compared to peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of LCL patients and intact skin of healthy controls. The phenotype of arginase expressing cells was identified in both compartments as CD15+ CD14|0W low-density granulocytes (LDGs). Finally, high arginase activity at site of pathology observed in cutaneous lesions of patients coincides with downregulation of CD3Ç, CD4 and CD8 molecules in CD4+ and CD8+ T cells at site of pathology. We concluded that increased arginase levels in lesions of LCL patients might contribute to CL pathogenesis by impairing T cell effector function at site of pathology. Next, it was tested whether arginase, an enzyme associated with immunosuppression, is higher in patients with VL and contributes to impaired T cell function through depletion of L- arginine. The results showed that higher level of arginase activity in the PBMC coincides with active phase of VL. Cells expressing arginase in PBMCs were also found to be LDGs. Importantly, increased arginase activity and frequency of degranulated neutrophils coincided with lower plasma L-arginine levels. Furthermore, downregulation of CD3Ç, in T cells correlated with low plasma arginine levels. VL/HIV co-infection is a frequently reported leishmaniasis complication in Ethiopia associated with poor prognosis, with up to 40% mortality rate and high relapse rate. Arginase activity was significantly increased in PBMCs and plasma of VL patients co-infected with HIV than in those having VL alone. Similarly, cells expressing arginase in PBMCs were found to be LDGs. In summary, the results presented here show that increased arginase activity is a marker of disease severity in human leishmaniasis with and without HIV; further, these results suggest that arginase mediated L-arginine depletion may inhibit T cell function and contribute to impaired control of infection. - Les leishmanioses sont un groupe de maladies transmises par la piqûre de mouches des sables femelles, appelées phlébotomes, ayant été infectées par Leishmania. Les maladies se manifestent sous différentes formes: la leishmaniose cutanée localisée, la leishmaniose diffuse et mucocutanée et la leishmaniose viscérale (LV). A l'intérieur des macrophages, les principales cellules hôtes des parasites, l'oxyde nitrique synthase et l'arginase, peuvent contrôler, soit la mort du parasite, soit sa croissance. Pour la leishmaniose expérimentale, nous avons déjà rapporté que le développement de lesions qui ne guérissent pas est associé à une activité plus grande d'arginase au site d'infection, en corrélation avec la suppression locale de la fonction des cellules T. Pour vérifier si ces données pouvaient s'appliquer à la leishmaniose humaine, j'ai d'abord vérifié l'hypothèse selon laquelle la suppression locale des réponses des cellules T observée dans la CL persistante, est associée à la la diminution de L- arginine induite par l'arginase. Les résultats ont montré que l'activité arginase est augmentée au site d'infection, par rapport aux cellules mononucléées du sang périphérique (CMSP) de patients LCL et à la peau intacte des contrôles sains. Le phénotype de cellules exprimant l'arginase a été identifié dans les deux compartiments comme des granulocytes CD15+ et CD 14" de basse densité (LDG). Enfin, l'activité arginase élevée au site de la pathologie, observée dans les lésions cutanées de patients, coïncide avec la reduction dde l'expression des molécules CD3Ç, CD4 et CD8 dans les cellules T CD4+ et CD8+ au site de pathologie . Nous avons conclu que l'augmentation des niveaux d'arginase dans les lésions de patients LCL pourrait contribuer à la pathogenèse de la CL, en altérant la fonction effectrice des celllules T au site de la pathologie. Ensuite, nous avons vérifié si l'arginase, une enzyme associée à l'immunosuppression, était plus élevée chez les patients atteints de VL et si elle contribuait à la mauvaise fonction des cellules T par la depletion en L-arginine. Les résultats ont montré qu'un niveau plus élevé de l'activité arginase dans les PBMC correspond à la phase active de la VL. Les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP se sont révélées à être de type LDG . Il est important de souligner que l'augmentation de l'activité arginase et la fréquence des neutrophiles dégranulés a coïncidé avec des niveaux inférieurs de L-arginine plasmatique. En outre, la suppression de CD3Ç dans les cellules T correlle avec de faibles niveaux d'arginine plasmatique . Il a été fréquement rapporté que la co-infection VL/VIH est une complication de la leishmaniose en Ethiopie, associée à un mauvais prognostic, un taux de mortalité pouvant atteindre 40% et un pourcentage élevé de rechutes. L'activité de l'arginase a beaucoup plus augmentée dans les CMSP et le plasma de patients atteints de VL et co-infectés par le VIH, que chez ceux seulement attaints de VL. De même, les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP sont aussi des LDG. En résumé, les résultats présentés ici montrent que l'augmentation de l'activité de l'arginase est un marqueur de gravité de la la leishmaniose humaine, avec ou sans VIH ; en outre, ces résultats suggèrent que la déplétion de L-arginine par l'arginase pourrait inhiber la fonction des cellules T et contribuer à un contrôle réduit de l'infection. - Les Leishmanioses sont des maladies parasitaires transmises par la piqûre d'une mouche des sables femelle (phlébotome) infectée par Leishmania. La maladie se manifeste sous différentes formes cliniques : la leishmaniose viscérale, une maladie progressive mortelle en l'absence de traitement, la leishmaniose muco-cutanée (MCL), la leishmaniose cutanée diffuse (LCD ) maladie mutilante, qui peut être de longue durée et la leishmaniose cutanée localisée maladie dont on guérit mais laissant une cicatrice inesthétique à vie. La maladie est largement répandue, elle affecte les populations les plus pauvres dans 98 pays et 350 millions de personnes à risque. Globalement on estime à 500.000 les nouveaux cas de la forme viscérale et 1-1.5 million ceux de la leishmaniose cutanée. La leishmaniose est fortement endémique en Ethiopie et se manifeste dans les formes viscérale et cutanée. Le parasite Leishmania infecte et se multiplie dans les cellules du système immunitaire, principalement les macrophages. Les macrophages sont capables de tuer le parasite Leishmania s'ils reçoivent des instructions correctes de la part d'autres cellules du système immunitaire, les lymphocytes. Les macrophages expriment deux enzymes importants, appelés oxide nitrique synthase inductible (iNOS ) et l'arginase, qui sont respectivement associés à la promotion de la mort du parasite et la multiplication. L'enzyme iNOS présent dans les macrophages métabolise l'arginine afin de générer de l'oxyde d'azote (NO) , une molécule effectrice nécessaire pour tuer le parasite . Au contraire, lorsque les macrophages sont activés d'une certaine manière conduisant à l'augmention de la régulation de l'arginase, ils métabolisent l'arginine en polyamines qui favorisent la croissance du parasite. Au cours du développement de la leishmaniose, les lymphocytes ne parviennent pas à transmettre aux macrophages les signaux nécessaires pour tuer le parasite. Les mécanismes cellulaires qui sont la cause de ce défaut, ne sont pas bien compris. En utilisant des modèles animaux, nous avons montré la régulation à la hausse de l'arginase au site de la pathologie, qui s'est traduit par l'altération de la fonction effectrice des lymphoctes. Nous avons initié des études de leishmaniose humaine en Ethiopie afin d'identifier le rôle de l'arginase dans la sévérité de la maladie. Nos résultats montrent, que l'arginase est fortement augmentée dans la lésion des patients CL, et dans le sang des patients VL et ceux co-infectés par VL / VIH. Le niveau d' arginase régulée à la hausse coincide avec l'expression inférieure d'une molécule de signalisation dans les lymphocytes, qui est essentielle à leur bon fonctionnement. En VL actif, l'augmentation d'arginase se traduit par la diminution de l'arginine qui est indispensable à la synthèse de NO et au bon fonctionnement des lymphocytes. Ainsi, l'incapacité des lymphocytes à envoyer des signaux adéquats aux macrophages pourrait être due à la suppression de l'arginine.

Ex vivo analysis of human antigen-specific CD8+ T-cell responses: quality assessment of fluorescent HLA-A2 multimer and interferon-gamma ELISPOT assays for patient immune monitoring.

The authors developed a standardized approach for immune monitoring of antigen-specific CD8+ T cells within peripheral blood lymphocytes (PBLs) that combines direct ex vivo analysis of Melan-A/MART-1 and influenza-specific CD8+ T cells with HLA-A2/peptide multimers and interferon-gamma ELISPOT assays. Here the authors assessed the quality of results obtained with 180 PBLs from healthy donors and melanoma patients. Reproducibility of the multimer assay was good (average of 15% variation). In the absence of in vivo antigen-specific T-cell responses, physiologic fluctuations of multimer-positive T cells was low, with variation coefficients of 20% for Melan-A and 28% for influenza-specific T cells. In contrast, patients with vaccination-induced T-cell responses had significantly increased T-cell frequencies clearly exceeding physiologic fluctuations. Comparable results were obtained with ELISPOT assays. In conclusion, this approach is well suited to assess T-cell responses as biologic endpoints in clinical vaccine studies.

Immunochemical characterization of two antigens recognized by new monoclonal antibodies against human colon carcinoma.

Two different monoclonal antibodies (MAb), called L-D1 and L-C5, were produced after immunization with either intact cells or the methanol phase of glycolipid extracts, respectively, from the same human colon carcinoma line, LoVo. As determined by an antibody-binding radioimmunoassay (RIA) on intact cells, MAb L-D1 and MAb L-C5 were highly reactive with all five colon carcinoma lines tested and with only one out of the 21 cell lines of various tissue origin tested. No reactivity of either MAb was observed with peripheral blood lymphocytes, granulocytes, or erythrocytes from healthy donors of various blood groups. Both MAb were tested in competitive binding experiments with an anti-CEA MAb from our laboratory (CEA 35) and with two previously described anti-colon carcinoma MAb from the Wistar Institute called 1083-17-1A (17-1A) and NS-19.9. In competitive binding experiments, MAb L-D1 was inhibited by MAb 17-1A and reciprocally, whereas MAb L-C5 was not inhibited by any of the other MAb tested. MAb L-D1 precipitated a major protein band with an apparent molecular weight (MW) of 41 kilodaltons (kD); interestingly, MAb 17-1A, which was reported to react with an uncharacterized antigen, precipitated the same protein band of 41 kD. This was confirmed with immunodepletion experiments. Furthermore, after treatment of the colon carcinoma cell line with tunicamycin, both MAb L-D1 and 17-1A precipitated a protein band of 35 kD. This shift of 6 kD suggests that the glycoprotein recognized by these 2 MAb contains two to three N-linked carbohydrate side chains. MAb L-C5 precipitated a group of three to four protein bands ranging from 43 to 53 kD that were not modified by tunicamycin treatment. A preliminary study conducted by using immunoperoxidase labeling on frozen sections of primary colon carcinoma showed that the two new MAb react strongly with these tumors, but also weakly with the normal adjacent mucosa, as did the other anti-colon carcinoma MAb tested.

Intralesional regulatory T-cell suppressive function during human acute and chronic cutaneous leishmaniasis due to Leishmania guyanensis.

The levels of regulatory T cells (Treg cells), analyzed by Foxp3 mRNA expression, were determined in lesions from patients with acute cutaneous leishmaniasis (ACL) and chronic cutaneous leishmaniasis (CCL). We demonstrated that Treg cells preferentially accumulate in lesions from ACL patients during the early phase of infection (lesion duration of less than 1 month). In addition, levels of Foxp3 mRNA transcripts were significantly higher in specimens from patients with CCL than in those from patients with ACL, suggesting a critical role of intralesional Treg cells in CCL. Intralesional Treg cells from both ACL and CCL patients were shown to have suppressive functions in vitro, since they inhibited the gamma interferon (IFN-gamma) produced by CD4(+) CD25(-) T cells purified from peripheral blood mononuclear cells from the same patient in response to Leishmania guyanensis stimulation. Intralesional 2,3-indoleamine dioxygenase (IDO) mRNA expression was associated with that of Foxp3, suggesting a role for IDO in the suppressive activity of intralesional Treg cells. In addition, a role, albeit minor, of interleukin-10 (IL-10) was also demonstrated, since neutralization of IL-10 produced by intralesional T cells increased IFN-gamma production by effector cells in an in vitro suppressive assay. These results confirm the role of intralesional Treg cells in the immunopathogenesis of human Leishmania infection, particularly in CCL patients.

gp100(209-2M) peptide immunization of human lymphocyte antigen-A2+ stage I-III melanoma patients induces significant increase in antigen-specific effector and long-term memory CD8+ T cells.

Thirty-five HLA-A2(+) patients with completely resected stage I-III melanoma were vaccinated multiple times over 6 months with a modified melanoma peptide, gp100(209-2M), emulsified in Montanide adjuvant. Direct ex vivo gp100(209-2M) tetramer analysis of pre- and postvaccine peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) demonstrated significant increases in the frequency of tetramer(+) CD8(+) T cells after immunization for 33 of 35 evaluable patients (median, 0.36%; range, 0.05-8.9%). Ex vivo IFN-gamma cytokine flow cytometry analysis of postvaccine PBMCs after brief gp100(209-2M) in vitro activation showed that for all of the patients studied tetramer(+) CD8(+) T cells produced IFN-gamma; however, some patients had significant numbers of tetramer(+) IFN-gamma(-) CD8(+)T cells suggesting functional anergy. Additionally, 8 day gp100(209-2M) in vitro stimulation (IVS) of pre- and postvaccine PBMCs resulted in significant expansion of tetramer(+) CD8(+) T cells from postvaccine cells for 34 patients, and these IVS tetramer(+) CD8(+) T cells were functionally responsive by IFN-gamma cytokine flow cytometry analysis after restimulation with either native or modified gp100 peptide. However, correlated functional and phenotype analysis of IVS-expanded postvaccine CD8(+) T cells demonstrated the proliferation of functionally anergic gp100(209-2M)- tetramer(+) CD8(+) T cells in several patients and also indicated interpatient variability of gp100(209-2M) stimulated T-cell proliferation. Flow cytometry analysis of cryopreserved postvaccine PBMCs from representative patients showed that the majority of tetramer(+) CD8+ T cells (78.1 +/- 4.2%) had either an "effector" (CD45 RA(+)/CCR7(-)) or an "effector-memory" phenotype (CD45RA(-)/CCR7(-)). Notably, analysis of PBMCs collected 12-24 months after vaccine therapy demonstrated the durable presence of gp100(209-2M)-specific memory CD8(+) T cells with high proliferation potential. Overall, this report demonstrates that after vaccination with a MHC class I-restricted melanoma peptide, resected nonmetastatic melanoma patients can mount a significant antigen-specific CD8(+) T-cell immune response with a functionally intact memory component. The data further support the combined use of tetramer binding and functional assays in correlated ex vivo and IVS settings as a standard for immunomonitoring of cancer vaccine patients.

Human CD8(+) T cells expressing HLA-DR and CD28 show telomerase activity and are distinct from cytolytic effector T cells.

Cycling lymphocytes may express the enzyme telomerase which is involved in maintenance of telomere length and cell proliferation potential. In CD8(+) T cells freshly isolated from peripheral blood, we found that in vivo cycling cells expressed HLA-DR. Furthermore, CD28-positive cells are known to have longer telomeres than CD28-negative T cells. Therefore we used HLA-DR- and CD28-specific antibodies to sort CD8(+) T cells and measure telomerase activity ex vivo. Relatively high levels of telomerase activity were found in HLA-DR/CD28 double-positive cells. In contrast, HLA-DR-negative and CD28-negative cells had almost no telomerase activity. In summary, HLA-DR expression correlates with proliferation, and CD28 expression with proliferative potential. We have previously identified that ex vivo cytolytic CD8(+) T cells are CD56 (NCAM) positive. Here we show that HLA-DR(+) cells were rarely CD56(+) and vice versa. This demonstrates that telomerase-expressing and cytolytic CD8(+) T cells can be separated on the basis of the cell surface markers HLA-DR and CD56. Thus, activated CD8(+) T cells specialize and exert distinct functions correlating with surface molecule expression.

Ex vivo characterization of human CD8+ T subsets with distinct replicative history and partial effector functions.

After antigenic challenge, naive T lymphocytes enter a program of proliferation and differentiation during the course of which they acquire effector functions and may ultimately become memory cells. In humans, the pathways of effector and memory T-cell differentiation remain poorly defined. Here we describe the properties of 2 CD8+ T-lymphocyte subsets, RA+CCR7-27+28+ and RA+CCR7-27+28-, in human peripheral blood. These cells display phenotypic and functional features that are intermediate between naive and effector T cells. Like naive T lymphocytes, both subsets show relatively long telomeres. However, unlike the naive population, these T cells exhibit reduced levels of T-cell receptor excision circles (TRECs), indicating they have undergone additional rounds of in vivo cell division. Furthermore, we show that they also share effector-type properties. At equivalent in vivo replicative history, the 2 subsets express high levels of Fas/CD95 and CD11a, as well as increasing levels of effector mediators such as granzyme B, perforin, interferon gamma, and tumor necrosis factor alpha. Both display partial ex vivo cytolytic activity and can be found among cytomegalovirus-specific cytolytic T cells. Taken together, our data point to the presence of T cells with intermediate effector-like functions and suggest that these subsets consist of T lymphocytes that are evolving toward a more differentiated effector or effector-memory stage.

JC virus-specific immune responses in human immunodeficiency virus type 1 patients with progressive multifocal leukoencephalopathy.

Progressive multifocal leukoencephalopathy (PML) is a frequently fatal disease caused by uncontrolled polyomavirus JC (JCV) in severely immunodeficient patients. We investigated the JCV-specific cellular and humoral immunity in the Swiss HIV Cohort Study. We identified PML cases (n = 29), as well as three matched controls per case (n = 87), with prospectively cryopreserved peripheral blood mononuclear cells and plasma at diagnosis. Nested controls were matched according to age, gender, CD4(+) T-cell count, and decline. Survivors (n = 18) were defined as being alive for >1 year after diagnosis. Using gamma interferon enzyme-linked immunospot assays, we found that JCV-specific T-cell responses were lower in nonsurvivors than in their matched controls (P = 0.08), which was highly significant for laboratory- and histologically confirmed PML cases (P = 0.004). No difference was found between PML survivors and controls or for cytomegalovirus-specific T-cell responses. PML survivors showed significant increases in JCV-specific T cells (P = 0.04) and immunoglobulin G (IgG) responses (P = 0.005). IgG responses in survivors were positively correlated with CD4(+) T-cell counts (P = 0.049) and negatively with human immunodeficiency virus RNA loads (P = 0.03). We conclude that PML nonsurvivors had selectively impaired JCV-specific T-cell responses compared to CD4(+) T-cell-matched controls and failed to mount JCV-specific antibody responses. JCV-specific T-cell and IgG responses may serve as prognostic markers for patients at risk.

BDNF promoter I methylation correlates between post-mortem human peripheral and brain tissues.

Several psychiatric disorders have been associated with CpG methylation changes in CG rich promoters of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) mainly by extracting DNA from peripheral blood cells. Whether changes in peripheral DNA methylation can be used as a proxy for brain-specific alterations remains an open question. In this study we aimed to compare DNA methylation levels in BDNF promoter regions in human blood cells, muscle and brain regions using bisulfite-pyrosequencing. We found a significant correlation between the levels of BDNF promoter I methylation measured in quadriceps and vPFC tissues extracted from the same individuals (n = 98, Pearson, r = 0.48, p = 4.5 × 10(-7)). In the hippocampus, BDNF promoter I and IV methylation levels were strongly correlated (Pearson, n = 37, r = 0.74, p = 1.4 × 10(-7)). We found evidence for sex-dependent effect on BDNF promoter methylation levels in the various tissues and blood samples. Taken together, these data indicate a strong intra-individual correlation between peripheral and brain tissue. They also suggest that sex determines methylation patterns in BDNF promoter region across different types of tissue, including muscle, brain, and blood.

Cell-Cell interaction in erythropoiesis: role of human monocytes

Erythroid burst forming units (BFU-E) are proliferative cells present in peripheral blood and bone marrow which may be precursors of the erythroid colony forming cell found in the bone marrow. To examine the possible role of monocyte-macrophages in the modulation of erythropoiesis, the effect of monocytes on peripheral blood BFU-E proliferation in response to erythropoietin was investigated in the plasma clot culture system. Peripheral blood mononuclear cells from normal human donors were separated into four fractions. Fraction-I cells were obtained from the interface of Ficoll-Hypaque gradients (20-30% monocytes; 60-80% lymphocytes); fraction-II cells were fraction-I cells that were nonadherent to plastic (2-10% monocytes; 90-98% lymphocytes); fraction-III cells were obtained by incubation of fraction-II cells with carbonyl iron followed by Ficoll-Hypaque centrifugation (>99% lymphocytes); and fraction-IV cells represented the adherent population of fraction-II cells released from the plastic by lidocaine (>95% monocytes). When cells from these fractions were cultured in the presence of erythropoietin, the number of BFU-E-derived colonies was inversely proportional to the number of monocytes present (r = ¿0.96, P < 0.001). The suppressive effect of monocytes on BFU-E proliferation was confirmed by admixing autologous purified monocytes (fraction-IV cells) with fraction-III cells. Monocyte concentrations of ¿20% completely suppressed BFU-E activity. Reduction in the number of plated BFU-E by monocyte dilution could not account for these findings: a 15% reduction in the number of fraction-III cells plated resulted in only a 15% reduction in colony formation. These results indicate that monocyte-macrophages may play a significant role in the regulation of erythropoiesis and be involved in the pathogenesis of the hypoproliferative anemias associated with infection and certain neoplasia in which increased monocyte activity and monopoiesis also occur.

Expression des SOCS-1 et SOCS-3 par les lymphocytes T humains en réponse à des cytokines immuno-modulatrices

Les cytokines jouent un rôle fondamental dans la régulation des processus biologiques via la cascade de signalisation JAK-STAT. Les « Suppressors of Cytokine Signalling » (SOCS), protéines intracellulaires, inhibent la voie JAK-STAT. Plusieurs études supportent leur implication dans des maladies immunitaires, mais peu d’informations sont disponibles sur leur expression par les lymphocytes T humains. Nous postulons que les cytokines Interféron-β(IFN-β) et Interleukine-27 (IL-27), dotées d’un potentiel immuno-régulateur, ont des rôles bénéfiques via l’induction des SOCS. L’impact de l’IFN-β et l’IL-27 sur l’expression des SOCS-1 et SOCS-3 par des cellules T CD8 et CD4 humaines a été étudié en utilisant des cellules sanguines de donneurs sains. L’expression de ces régulateurs a été évaluée aux niveaux de l’ARNm par qRT-PCR et protéique par immunocytochimie. Les SOCS-1 et SOCS-3 ont été rapidement induits en ARNm dans les deux types cellulaires en réponse à l’IFN-β ou l’IL-27 et une augmentation de l’expression a été confirmée au niveau protéique. Afin de mimer les thérapies à base d’IFN-β, les cellules T ont été exposées chroniquement à l’IFN-β. Après chaque ajout de cytokine les cellules T ont augmenté l’expression du SOCS-1, sans moduler le SOCS-3. L’IL-27 a induit les SOCS-1 et SOCS-3 préférentiellement dans les cellules T CD8 ; ceci corrèle avec des résultats du laboratoire démontrant une plus petite expression des récepteurs à l’IL-27 par les lymphocytes T CD4 que les CD8. Notre projet a permis d’élucider l’expression des SOCS dans deux populations de cellules T et de clarifier les mécanismes d’actions de l’IFN-β et l’IL-27.

Association entre les dérégulations des cellules dendritiques et les altérations des lymphocytes B présentes chez les patients infectés par le VIH

La dérégulation du compartiment B est une conséquence importante de l’infection par le virus de l’immunodéficience humaine (VIH), qui peut mener à des manifestations autoimmunes et ultimement à des lymphomes B. Parmi les premières anomalies détectées, on dénote l’activation polyclonale, reflétée par la présence d’hyperglobulinémie (hyper-Ig) et des titres élevés d’autoanticorps chez les patients. On observe également une altération des dynamiques des populations, notamment une expansion de la population des cellules matures activées. De plus, les patients évoluent vers l’incapacité de générer une réponse humorale efficace, et sont sujets à une perte de la mémoire immunologique en phase chronique, caractérisée par une diminution de la population des cellules mémoires et par l’épuisement cellulaire. Toutefois, on connaît très peu les mécanismes impliqués dans de telles altérations. Les cellules dendritiques (DC) sont parmi les premières populations cellulaires à rencontrer et à propager le VIH lors d’une infection, et s’en trouvent affectées directement et indirectement, par le virus et ses composantes. On retrouve en effet une diminution des fréquences de DC dans le sang, les muqueuses et les organes lymphoïdes de patients infectés par le VIH, ainsi qu’un blocage au niveau de la maturation cellulaire. Toutefois, un débat perdure quant à l’apparition de ces altérations durant la phase aigüe de l’infection, et à la restauration des fréquences et des fonctions des DC chez les patients sous traitement. Cette controverse est due à la rareté des études longitudinales incluant des suivis qui s’échelonnent de la phase aigüe à la phase chronique de l’infection. Les DC jouent un rôle important dans le développement, la survie et l’activation des lymphocytes B, de façon T-dépendante et T-indépendante, notamment via des facteurs de croissance tel que BLyS (B lymphocyte stimulator). Par conséquent, nous formulons l’hypothèse que dans le cadre d’une infection VIH, les altérations observées au niveau des cellules B sont modulées par les DC. L’objectif majeur de cette étude est donc d’évaluer l’implication potentielle des DC dans les altérations des cellules B au cours de l’infection par le VIH. Pour ce faire, nous avons d’abord caractérisé de façon longitudinale le statut des populations de DC du sang périphérique de patients infectés au VIH et présentant différents types de progression de la maladie. Cela nous a permis d’évaluer la présence d’une corrélation entre les dynamiques de DC et le type de progression. Par la suite, nous avons évalué la capacité des DC à exprimer BLyS, puis mesuré sa concentration ainsi que celles d’autres facteurs de croissance des cellules B dans le plasma des patients. Enfin, nous avons caractérisé le statut des lymphocytes B, en fonction du stade de l’infection et du taux de progression clinique des patients. Cette étude démontre une diminution de la fréquence des populations de DC myéloïdes (mDC) dans le sang de patients infectés par le VIH sujets à une progression clinique. Cette diminution est observée dès le stade aigu de l’infection et au-delà du traitement antirétroviral (ART). Des concentrations élevées de MCP-1 (monocyte chemotactic protein), MIP (macrophage inflammatory protein) -3α et MIP-3β suggèrent la possibilité d’un drainage vers des sites périphériques. Nous observons également des niveaux supérieurs à la normale de précurseurs CD11c+CD14+CD16- en phase chronique, possiblement liés à une tendence de régénération des DC. Les patients en phase chronique présentent de hautes concentrations plasmatiques de BLyS, reflétée par un haut taux d’expression de cette cytokine par les mDC et leurs précurseurs. Parallèlement, nous observons une expansion des cellules B matures activées ainsi que des taux élevés d’IgG et IgA dans le sang de ces patients. De plus, nous constatons l’expansion d’une population de cellules B qui présente à la fois des caractéristiques de cellules B immatures transitionnelles (TI, transitional immature), et de cellules B recirculantes activées de la zone marginale (MZ, marginal zone), considérées ici comme des «précurseurs/activées de la MZ». Cette étude démontre aussi, chez les progresseurs lents, une meilleure préservation du compartiment des DC du sang périphérique, accompagnée d’une augmentation de précurseurs des DC de phénotype CD11c+CD14+CD16+, ainsi que des concentrations plasmatiques et niveaux d’expression normaux de BLyS. Conséquemment, nous n’avons pas observé d’augmentation des cellules B matures activées et des cellules B précurseurs/activées de la MZ. Toutefois, la fréquence des cellules B matures de la MZ est diminuée, reflétant possiblement leur recrutement vers des sites périphériques et leur contribution à un mécanisme actif de contrôle de la progression de la maladie. L’ensemble de ce travail suggère que dans le cadre d’une infection au VIH, les altérations observées au niveau des DC modulent les anomalies des cellules B. Par conséquent, le maintien de l’équilibre des fonctions DC, notamment les fonctions noninflammatoires, pourrait avoir un impact important dans la prévention de la progression de maladies associées aux altérations du compartiment des cellules B.

Caractérisation de DKK1 comme antigène tumoral et manipulation des lymphocytes T CD8 : utilisation de la voie de Wnt en immunothérapie du cancer

L’immunothérapie tumorale à médiation cellulaire est un traitement qui utilise le système immunitaire des patients afin d’induire une réponse des lymphocytes T CD8+ (T CD8+) contre la tumeur. Cette réponse est produite suite à la reconnaissance des antigènes par les T CD8+. Ces cibles sont appelées antigènes tumoraux (TAA) et définies comme des protéines exprimées par les cellules cancéreuses mais absentes des tissus normaux. Par une approche bio-informatique, notre laboratoire a identifié Dickkopf-1 (DKK1), une protéine inhibitrice de la voie de Wnt, comme un TAA potentiel. Une immunothérapie à médiation cellulaire efficace requiert l’identification de TAA candidats pertinents. Le traitement de patients par immunothérapie pourrait également être améliorées par l’augmentation de la puissance d’action anti-tumorale ainsi que la persistante des T CD8+ spécifiques aux TAA. Ce projet de doctorat se divise en deux parties : 1- La caractérisation de l’expression de DKK1 dans les cancers communs et la détermination de son immunogénicité afin de valider sa candidature comme TAA. 2- La reprogrammation des T CD8+, de patients atteints d’un cancer commun, vers un phénotype moins différentié afin d’augmenter leur potentiel anti-tumoral et leur persistance. Dans le premier objectif, nous avons caractérisé l’expression de DKK1 dans le cancer du sein et dans d’autres cancers communs. Le profil d’expression de DKK1 a été étudié par RT-PCR et par ELISA dans plusieurs lignées cellulaires de cancer et dans les tissus normaux. L’expression de DKK1 a aussi été étudiée dans des échantillons cliniques provenant de cancers du sein, du poumon et du rein. Trente pourcents (30%) des tumeurs provenant d’un cancer du sein exprimaient DKK1. La moitié des tumeurs DKK1(+) était triple négative, donc pas de récepteurs d’œstrogène et de progestérone et était Her-2/neu(-) (ces patientes ont des possibilités de traitements très restreintes). De plus, 50% des échantillons cliniques de tumeurs du poumon et 30% des tumeurs de rein exprimaient DKK1. Les observations effectuées dans le cancer du poumon ont été, par la suite, corroborées par d'autres groupes qui ont montré une corrélation entre l'expression de DKK1 et un mauvais pronostic. Après avoir confirmée l’expression de DKK1 dans les cancers communs, justifiant ainsi sa candidature comme TAA, nous avons évalué l’immunogénicité de DKK1. Pour ce faire, nous avons effectué des stimulations in vitro de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) de patient(e)s atteint(e)s d’un cancer du sein ou du poumon avec des peptides dérivés de DKK1 pouvant être présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité (CMH) HLA-A*0201. Des clones de T CD8+ reconnaissant un peptide de DKK1 ont été identifiés et isolés. Par essai multiplex et cytométrie de flux intracellulaire, la polyfonctionnalité d’un ces clones T CD8+ spécifiques à DKK1 a été étudiée et a révélée un profil effecteur, renforçant ainsi la candidature de DKK1 comme TAA. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans cette première partie de thèse suggèrent une possible utilisation de DKK1 en immunothérapie contre les cancers communs, attribuable à son expression dans ces cancers et la possibilité de faire proliférer des T CD8+ effecteurs spécifiques à DKK1 à partir de sang de patients. Dans la seconde partie de cette thèse, je décrirai la manipulation in vitro des T CD8+ de patients atteints d’un cancer commun, afin d’augmenter la force et la durée de leurs fonctions anti-tumorales. Il a été démontré que des lymphocytes moins différentiés sont capables d’une réponse immunologique plus efficace et durable. Nous avons basé ce projet sur l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique de la GSK-3, pour activer de la voie de Wnt chez les T CD8+ et ainsi leur conférer un phénotype moins différentié, partageant des caractéristiques de la cellule naïve et de la cellule mémoire. Des cultures de T CD8+, spécifiques à des antigènes viraux, en présence de l’inhibiteur ont permis d’augmenter la sécrétion d’interféron (IFN)- et leur activité cytotoxique. Ces résultats indiquent un effet de l’activation de la voie de Wnt sur la fonction des T CD8+. Ces observations sont rapportées pour la première fois chez les T CD8+ humains et suggèrent une nouvelle stratégie, applicables à l’immunothérapie du cancer, afin de prolonger la persistance des cellules ainsi que leur activité anti-tumorale. En conclusion, ces travaux de recherche ont mené à la réalisation d’une étape très importante dans la validation de la candidature de DKK1 comme TAA pour les cancers communs, soit la démonstration de son expression dans ces cancers et son absence dans les tissus normaux dérivés d’organes importants. Ces travaux ont également mené à la démonstration de l’immunogénicité de DKK1, par l’identification d’un peptide de DKK1 reconnu par les T CD8+. De plus, l’étude de la polyfonctionnalité des T CD8+ spécifiques à DKK1 a révélée un profil effecteur favorable pour l’obtention d’une réponse anti-tumorale efficace. Ces découvertes pourraient servir à l’élaboration d’une stratégie d’immunothérapie à médiation cellulaire pour les cancers communs. Pour sa part, l’étude phénotypique et fonctionnelle de la modulation de la voie de Wnt dans les T CD8+ a donné lieu à l’observation d’un phénotype encore jamais rapporté chez l’humain, conférant aux T CD8+ un aspect moins différentié avec des caractéristiques propre à un phénotype mémoire. Ces résultats sont pertinents dans l’amélioration de l’immunothérapie du cancer, passant par l’augmentation de la persistance des lymphocytes. En résumé, les résultats présentés dans cette thèse de doctorat fournissent des évidences indéniables quant à la validation de DKK1 comme TAA pour une immunothérapie à médiation cellulaire des cancers communs. Ces résultats fournissent également des preuves quant à la pertinence de la reprogrammation des T CD8+ par l’activation de la voie de la voie de Wnt, afin de générer des lymphocytes médiateurs plus efficaces pour ce type de thérapie.