The role of dendritic cells (DC) in Friend retrovirus-induced immunosuppression and immunotherapeutic applications of functionalized nanoparticles

Friend murine leukemia Virus (FV) infection of immunocompetent mice is a well- established model to acquire further knowledge about viral immune suppression mechanisms, with the aim to develop therapeutics against retrovirus-induced diseases. Interestingly, BALB/c mice are infected by low doses of FV and die from FV-induced erythroleukemia, while C57/BL6 mice are infected by FV only at high viral dose, and remain persistently infected for their whole life. Due to the central role of dendritic cells (DC) in the induction of anti-viral responses, we asked for their functional role in the genotype-dependent sensitivity towards FV infection. In my PhD study I showed that bone marrow (BM)-derived DC differentiated from FV-infected BM cells obtained from FV-inoculated BALB/c (FV susceptible) and C57BL/6 (FV resistant) mice showed an increased endocytotic activity and lowered expression of MHCII and of costimulatory receptors as compared with non-infected control BMDC. FV-infected BMDC from either mouse strain were partially resistant towards stimulation-induced upregulation of MHCII and costimulators, and accordingly were poor T cell stimulators in vitro and in vivo. In addition, FV-infected BMDC displayed an altered expression profile of proinflammator cytokines and favoured Th2 polarization. Ongoing work is focussed on elucidating the functional role of proteins identified as differentially expressed in FV-infected DC in a genotype-dependent manner, which therefore may contribute to the differential course of FV infection in vivo in BALB/c versus C57BL/6 mice. So far, more than 300 proteins have been identified which are differently regulated in FV-infected vs. uninfected DC from both mouse strains. One of these proteins, S100A9, was strongly upregulated specifically in BMDC derived from FV-infected C57BL/6 BM cells. S100A9-/- mice were more sensitive towards inoculation with FV than corresponding wild type (WT) mice (both C57BL/6 background), which suggests a decisive role of this factor for anti-viral defense. In addition, FV-infected S100A9-/- BMDC showed lower motility than WT DC. The future work is aimed to further elucidate the functional importance of S100A9 for DC functions. To exploit the potential of DC for immunotherapeutic applications, in another project of this PhD study the usability of different types of functionalized nanoparticles

Einfluss subviraler Partikel des humanen Cytomegalovirus auf die Induktion der antiviralen Immunantwort

Das humane Cytomegalovirus (HCMV) ist ein opportunistischer Krankheitserreger, der insbesondere bei Patienten mit unreifem oder geschwächtem Immunsystem schwere, teilweise lebensbedrohliche Erkrankungen verursacht. Aufgrund der klinischen Relevanz wird die Entwicklung einer Impfung gegen HCMV mit großem Nachdruck verfolgt. Subvirale Partikel des HCMV, sogenannte Dense Bodies (DB), stellen eine vielversprechende Impfstoff-Grundlage dar. Die innere Struktur der Partikel besteht aus viralen Proteinen, die als dominante Antigene der zellulären Immunantwort gegen HCMV identifiziert wurden. Die äußere Hülle der Partikel entspricht der Virushülle, sie enthält die viralen Oberflächenproteine als Zielantigene der neutralisierenden Antikörper (NTAk)-Antwort in ihrer natürlichen Konformation. Die für ein Totantigen außergewöhnlich hohe Immunogenität der Partikel wurde bereits in Vorarbeiten dokumentiert. Ein Ziel dieser Arbeit war es, den molekularen Hintergrund für die herausragenden, immunogenen Eigenschaften von DB aufzuklären. Im ersten Teil der Arbeit wurde daher die Hypothese geprüft, dass DB geeignet sind, die Ausreifung und Aktivierung von dendritischen Zellen (DC) zu vermitteln und damit deren Fähigkeit zur Antigenpräsentation zu stimulieren. Derart aktivierten DC kommt eine wichtige Rolle beim Priming der T-lymphozytären Immunantwort zu. In der Tat konnte gezeigt werden, dass die Behandlung von unreifen dendritischen Zellen (iDC) mit DB zu verstärkter Expression von solchen Molekülen auf der DC-Oberfläche führt, die mit Ausreifung der Zellen verknüpft sind. Der Nachweis der verstärkten Freisetzung proinflammatorischer Zytokine belegte die Aktivierung der Zellen im Sinne einer entzündlichen Reaktion. Die erfolgreiche Stimulation von CD4 und CD8 T-Lymphozyten durch DB-behandelte DC belegte schließlich die funktionelle Relevanz der Ergebnisse. Zusammengefasst konnten in diesem Abschnitt der Arbeit die molekularen Grundlagen der adjuvanten Wirkung von DB aufgeklärt werden. rnIn einem zweiten Abschnitt wurde die NTAk-Antwort nach DB-Immunisierung näher untersucht. Der humoralen Immunantwort kommt eine entscheidende Bedeutung bei der Prävention der HCMV-Übertragung zu. Hier galt es zu prüfen, welchen Einfluss stammspezifische Unterschiede in der Expression viraler Oberflächenproteine auf die Induktion der NTAk-Antwort nach DB-Immunisierung nehmen. Im Fokus stand dabei die variable Expression des pentameren Proteinkomplexes aus den viralen Proteinen gH/gL/pUL128-UL131A. Dieser Komplex wird nur von kliniknahen HCMV-Stämmen (HCMVKlin) exprimiert und ist für deren breiten Zelltropismus verantwortlich. Der pentamere Komplex fehlte in allen bisherigen Analysen der DB-Immunogenität, die auf der Grundlage von Laborstämmen des HCMV (HCMVLab) durchgeführt worden waren. Ein erster Versuchsansatz zeigte, dass die NTAk-Antwort, die durch DB von HCMVLab (DBLab) induziert wird, auch gegen die Infektion mit HCMVKlin einen gewissen Schutz vermittelt. Dies war ein überraschender Befund, da Antikörpern gegen den pentameren Komplex eine entscheidende Rolle bei der Neutralisation von HCMVKlin zugeschrieben wurde. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass Antikörper gegen andere Zielstrukturen zur Neutralisation von HCMVKlin beitragen. Hieraus resultierte unmittelbar die Frage, inwieweit eine Aufnahme des pentameren Komplexes in einen DB-basierten Impfstoff überhaupt notwendig war. Um dies zu beantworten war es notwendig, DB herzustellen, die den pentameren Komplex enthielten. Hierzu wurde ein HCMVLab durch Mutagenese des 235 kpb Genoms so modifiziert, dass von dem resultierenden Stamm der pentamere Komplex exprimiert wurde. In gereinigten DB dieses Stammes konnten die Komponenten des pentameren Komplexes nachgewiesen werden. Die Seren von Tieren, die mit DB dieses neuen Stammes immunisiert wurden, zeigten in der Tat eine deutlich gesteigerte Kapazität zur Neutralisation von HCMVKlin auf verschiedenen Zielzellen. Diese Ergebnisse unterstreichen schlussendlich, dass die Expression des pentameren Komplexes einen Vorteil bei der Induktion der antiviralen NTAk-Antwort erbringt. Zusammengefasst liefern die Erkenntnisse aus dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der immunogenen Wirkung von DB. Auf dieser Grundlage war es nunmehr möglich, ein Projekt zur Austestung der DB-Vakzine in einer ersten klinischen Studie zu initiieren.

Erkennung der alpha-Kette des GM-CSF-Rezeptors (CSF2RA) durch einen HLA-unabhängigen alpha:beta-T-Zellrezeptor

Aus dem tumorreaktiven T-Zellrepertoire der Melanompatientin Ma-Mel-86/INTH, bei der im Verlauf Lymphknotenmetastasen HLA-Klasse I-negativer Tumorzellen auftraten, wurden durch Stimulation mit autologen Tumorzellen CD8+ T-Zellklone isoliert und expandiert, die auf Melanomzellen der Patientin CSF2RA (engl. GM-CSF receptor alpha chain) in HLA-unabhängiger Weise erkannten. Aus einem der T-Zellklone wurde ein CSF2RA-reaktiver α:β-T-Zellrezeptor (TCR, engl. T-cell receptor) kloniert (Bezeichnung: TCR-1A.3/46). Die α-Kette des TCR enthielt die Domänen TRAV14/DV4*01, TRAJ48*01 und TRAC*01, die β-Kette die Domänen TRBV10-3*01, TRBD2*01, TRBJ2-7*01 und TRBC2*01. Durch Austausch der humanen konstanten gegen die homologen murinen Domänen wurde der TCR optimiert (Bezeichnung: cTCR-1A.3/46) und hinsichtlich seiner Expression und Funktionalität nach retroviralem Transfer in humane PBMC (engl. peripheral blood mononuclear cells) im 51Chromfreisetzungstest, im IFN-γ-ELISpot-Assay und in einem Degranulations-Assay validiert. TCR-transgene T-Zellen lysierten nicht nur spezifisch die HLA-defizienten, CSF2RA+ Melanomlinien des Modells Ma-Mel-86, sondern erkannten auch Zelllinien verschiedener Spezies nach Transfektion von CSF2RA sowie Monozyten, Granulozyten, dendritische Zellen und ein breites Spektrum hämatologischer Malignome myeloiden Ursprungs ungeachtet deren HLA-Phänotypen. Lymphatische Zellen sowie CD34+ Blutstammzellen wurden in In vitro-Untersuchungen nicht erkannt. Der Zusatz von GM-CSF zu Zellen, die CSF2RA und CSF2RB exprimierten, inhibierte die Erkennung durch TCR-transgene PBMC, während die Koexpression der α- und der ß-Kette des GM-CSF-Rezeptors alleine keinen negativen Effekt auf die Erkennung hatte. Daraus war zu schließen, dass CSF2RA präferentiell freistehend und weniger nach Integration in den heteromultimerischen GM-CSF-Rezeptor-Komplex erkannt wurde. In der zweidimensionalen Collier-de-Perles-Visualisierung der IMGT-Datenbank (engl. International immunogenetics information system) wies der CSF2RA-reaktive TCR-1A.3/46 im Vergleich zu TCR von konventionellen, HLA-restringierten T-Zellen keine Besonderheiten auf. Darüber hinaus waren auch die von den HLA-unabhängigen T-Zellen exprimierten CD8-Moleküle identisch zu den CD8-Molekülen HLA-abhängiger CTL (engl. cytotoxic T lymphocytes). Die Präsenz von CD8-Molekülen förderte die HLA-unabhängige Erkennung von CSF2RA, schien aber dafür nicht zwingend erforderlich zu sein, da Antikörper gegen CD8 die Erkennung zu ca. 65 % blockierten und TCR-transgene CD4+ T-Zellen im Vergleich zu TCR-transduzierten CD8+ T-Zellen eine deutlich verringerte, aber noch erhaltene Funktionalität aufwiesen. Es ist derzeit nicht klar, ob HLA-unabhängige T-Zellen gegen CSF2RA im peripheren Blut der Patientin vorkamen, weil sie der im Tiermodell postulierten Thymusselektion MHC-unabhängiger TCR (Tikhonova et al., Immunity 36:79, 2012) entkommen waren, oder weil ein ursprünglich gegen einen HLA-Peptid-Komplex gerichteter TCR eine HLA-unabhängige Kreuzreaktivität aufwies. CSF2RA verbessert die Glucoseutilisation in malignen Zellen, und es wurden ihm embryotrophe Eigenschaften zugeschrieben (Spielholz et al., Blood 85:973, 1995; Sjöblom et al., Biol. Reprod. 67:1817, 2002). Damit kann CSF2RA malignes Wachstum fördern und ist somit ein potentielles Zielmolekül für die Immuntherapie. Seine HLA-unabhängige Erkennung würde sowohl die HLA-Vielfalt als auch den HLA-Verlust als typische Limitationen der T-Zellimmuntherapie umgehen. Zur Überprüfung der In vivo-Spezifität des HLA-unabhängigen TCR gegen CSF2RA und damit zum Ausschluss relevanter off-tumor-/on-target- bzw. off-tumor-/off-target-Effekte ist jedoch eine Testung in einem präklinischen Tiermodell erforderlich.

High numbers of DC-SIGN+ dendritic cells in lesional skin of cutaneous T-cell lymphoma

The role of dendritic cells (DCs) in disease progression of primary cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) is not well understood. With their unique ability to induce primary immune responses as well as immunotolerance, DCs play a critical role in mediation of anti-tumor immune responses. Tumor-infiltrating DCs have been determined to represent important prognostic factors in a variety of human tumors.

Effects of TLR agonists on the hypoxia-regulated transcription factor HIF-1alpha and dendritic cell maturation under normoxic conditions

Dendritic cells (DC) are professional antigen presenting cells that represent an important link between innate and adaptive immunity. Danger signals such as toll-like receptor (TLR) agonists induce maturation of DC leading to a T-cell mediated adaptive immune response. In this study, we show that exogenous as well as endogenous inflammatory stimuli for TLR4 and TLR2 induce the expression of HIF-1alpha in human monocyte-derived DC under normoxic conditions. On the functional level, inhibition of HIF-1alpha using chetomin (CTM), YC-1 and digoxin lead to no consistent effect on MoDC maturation, or cytokine secretion despite having the common effect of blocking HIF-1alpha stabilization or activity through different mechanisms. Stabilization of HIF-1alpha protein by hypoxia or CoCl(2) did not result in maturation of human DC. In addition, we could show that TLR stimulation resulted in an increase of HIF-1alpha controlled VEGF secretion. These results show that stimulation of human MoDC with exogenous as well as endogenous TLR agonists induces the expression of HIF-1alpha in a time-dependent manner. Hypoxia alone does not induce maturation of DC, but is able to augment maturation after TLR ligation. Current evidence suggests that different target genes may be affected by HIF-1alpha under normoxic conditions with physiological roles that differ from those induced by hypoxia.

Macrophages and dendritic cells express tight junction proteins and exchange particles in an in vitro model of the human airway wall

The human airway epithelium serves as structural and functional barrier against inhaled particulate antigen. Previously, we demonstrated in an in vitro epithelial barrier model that monocyte derived dendritic cells (MDDC) and monocyte derived macrophages (MDM) take up particulate antigen by building a trans-epithelial interacting network. Although the epithelial tight junction (TJ) belt was penetrated by processes of MDDC and MDM, the integrity of the epithelium was not affected. These results brought up two main questions: (1) Do MDM and MDDC exchange particles? (2) Are those cells expressing TJ proteins, which are believed to interact with the TJ belt of the epithelium to preserve the epithelial integrity? The expression of TJ and adherens junction (AJ) mRNA and proteins in MDM and MDDC monocultures was determined by RT-PCR, and immunofluorescence, respectively. Particle uptake and exchange was quantified by flow cytometry and laser scanning microscopy in co-cultures of MDM and MDDC exposed to polystyrene particles (1 μm in diameter). MDM and MDDC constantly expressed TJ and AJ mRNA and proteins. Flow cytometry analysis of MDM and MDDC co-cultures showed increased particle uptake in MDDC while MDM lost particles over time. Quantitative analysis revealed significantly higher particle uptake by MDDC in co-cultures of epithelial cells with MDM and MDDC present, compared to co-cultures containing only epithelial cells and MDDC. We conclude from these findings that MDM and MDDC express TJ and AJ proteins which could help to preserve the epithelial integrity during particle uptake and exchange across the lung epithelium.

Fluorescent-magnetic hybrid nanoparticles induce a dose-dependent increase in proinflammatory response in lung cells in vitro correlated with intracellular localization

Iron-platinum nanoparticles embedded in a poly(methacrylic acid) (PMA) polymer shell and fluorescently labeled with the dye ATTO 590 (FePt-PMA-ATTO-2%) are investigated in terms of their intracellular localization in lung cells and potential to induce a proinflammatory response dependent on concentration and incubation time. A gold core coated with the same polymer shell (Au-PMA-ATTO-2%) is also included. Using laser scanning and electron microscopy techniques, it is shown that the FePt-PMA-ATTO-2% particles penetrate all three types of cell investigated but to a higher extent in macrophages and dendritic cells than epithelial cells. In both cell types of the defense system but not in epithelial cells, a particle-dose-dependent increase of the cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFalpha) is found. By comparing the different nanoparticles and the mere polymer shell, it is shown that the cores combined with the shells are responsible for the induction of proinflammatory effects and not the shells alone. It is concluded that the uptake behavior and the proinflammatory response upon particle exposure are dependent on the time, cell type, and cell culture.

Reinforcement learning in dendritic structures

The discovery of binary dendritic events such as local NMDA spikes in dendritic subbranches led to the suggestion that dendritic trees could be computationally equivalent to a 2-layer network of point neurons, with a single output unit represented by the soma, and input units represented by the dendritic branches. Although this interpretation endows a neuron with a high computational power, it is functionally not clear why nature would have preferred the dendritic solution with a single but complex neuron, as opposed to the network solution with many but simple units. We show that the dendritic solution has a distinguished advantage over the network solution when considering different learning tasks. Its key property is that the dendritic branches receive an immediate feedback from the somatic output spike, while in the corresponding network architecture the feedback would require additional backpropagating connections to the input units. Assuming a reinforcement learning scenario we formally derive a learning rule for the synaptic contacts on the individual dendritic trees which depends on the presynaptic activity, the local NMDA spikes, the somatic action potential, and a delayed reinforcement signal. We test the model for two scenarios: the learning of binary classifications and of precise spike timings. We show that the immediate feedback represented by the backpropagating action potential supplies the individual dendritic branches with enough information to efficiently adapt their synapses and to speed up the learning process.

Reinforcement learning in dendritic structures

The discovery of binary dendritic events such as local NMDA spikes in dendritic subbranches led to the suggestion that dendritic trees could be computationally equivalent to a 2-layer network of point neurons, with a single output unit represented by the soma, and input units represented by the dendritic branches. Although this interpretation endows a neuron with a high computational power, it is functionally not clear why nature would have preferred the dendritic solution with a single but complex neuron, as opposed to the network solution with many but simple units. We show that the dendritic solution has a distinguished advantage over the network solution when considering different learning tasks. Its key property is that the dendritic branches receive an immediate feedback from the somatic output spike, while in the corresponding network architecture the feedback would require additional backpropagating connections to the input units. Assuming a reinforcement learning scenario we formally derive a learning rule for the synaptic contacts on the individual dendritic trees which depends on the presynaptic activity, the local NMDA spikes, the somatic action potential, and a delayed reinforcement signal. We test the model for two scenarios: the learning of binary classifications and of precise spike timings. We show that the immediate feedback represented by the backpropagating action potential supplies the individual dendritic branches with enough information to efficiently adapt their synapses and to speed up the learning process.

Porcine circovirus type 2 DNA influences cytoskeleton rearrangements in plasmacytoid and monocyte-derived dendritic cells

Functional disruption of dendritic cells (DC) is an important strategy for viral pathogens to evade host defences. In this context, porcine circovirus type 2 (PCV2), a single-stranded DNA virus, impairs plasmacytoid DC (pDC) and conventional DC activation by certain viruses or Toll-like receptor (TLR) ligands. This inhibitory capacity is associated with the viral DNA, but the impairment does not affect all signalling cascades; TLR7 ligation by small chemical molecules will still induce interleukin-6 (IL-6) and tumour necrosis factor-α secretion, but not interferon-α or IL-12. In this study, the molecular mechanisms by which silencing occurs were investigated. PP2, a potent inhibitor of the Lyn and Hck kinases, produced a similar profile to the PCV2 DNA interference with cytokine secretion by pDC, efficiently inhibiting cell activation induced through TLR9, but not TLR7, ligation. Confocal microscopy and cytometry analysis strongly suggested that PCV2 DNA impairs actin polymerization and endocytosis in pDC and monocyte-derived DC, respectively. Altogether, this study delineates for the first time particular molecular mechanisms involved in PCV2 interference with DC danger recognition, which may be responsible for the virus-induced immunosuppression observed in infected pigs.