Exhausted CD8 T cells downregulate the IL-18 receptor and become unresponsive to inflammatory cytokines and bacterial co-infections.

During many chronic infections virus-specific CD8 T cells succumb to exhaustion as they lose their ability to respond to antigenic activation. Combinations of IL-12, IL-18, and IL-21 have been shown to induce the antigen-independent production of interferon (IFN)-γ by effector and memory CD8 T cells. In this study we investigated whether exhausted CD8 T cells are sensitive to activation by these cytokines. We show that effector and memory, but not exhausted, CD8 T cells produce IFN-γ and upregulate CD25 following exposure to certain combinations of IL-12, IL-18, and IL-21. The unresponsiveness of exhausted CD8 T cells is associated with downregulation of the IL-18-receptor-α (IL-18Rα). Although IL-18Rα expression is connected with the ability of memory CD8 T cells to self-renew and efflux rhodamine 123, the IL-18Rα(lo) exhausted cells remained capable of secreting this dye. To further evaluate the consequences of IL-18Rα downregulation, we tracked the fate of IL-18Rα-deficient CD8 T cells in chronically infected mixed bone marrow chimeras and discovered that IL-18Rα affects the initial but not later phases of the response. The antigen-independent responsiveness of exhausted CD8 T cells was also investigated following co-infection with Listeria monocytogenes, which induces the expression of IL-12 and IL-18. Although IL-18Rα(hi) memory cells upregulated CD25 and produced IFN-γ, the IL-18Rα(lo) exhausted cells failed to respond. Collectively, these findings indicate that as exhausted T cells adjust to the chronically infected environment, they lose their susceptibility to antigen-independent activation by cytokines, which compromises their ability to detect bacterial co-infections.

Characterization of CD4 and CD8 T cell responses in MuSK myasthenia gravis.

Muscle specific tyrosine kinase myasthenia gravis (MuSK MG) is a form of autoimmune MG that predominantly affects women and has unique clinical features, including prominent bulbar weakness, muscle atrophy, and excellent response to therapeutic plasma exchange. Patients with MuSK MG have predominantly IgG4 autoantibodies directed against MuSK on the postsynaptic muscle membrane. Lymphocyte functionality has not been reported in this condition. The goal of this study was to characterize T cell responses in patients with MuSK MG. Intracellular production of IFN-gamma, TNF-alpha, IL-2, IL-17, and IL-21 by CD4+ and CD8+ T cells was measured by polychromatic flow cytometry in peripheral blood samples from 11 Musk MG patients and 10 healthy controls. Only one MuSK MG patient was not receiving immunosuppressive therapy. Regulatory T cells (Treg) were also included in our analysis to determine if changes in T cell function were due to altered Treg frequencies. CD8+ T cells from MuSK MG patients had higher frequencies of polyfunctional responses than controls, and CD4+ T cells had higher IL-2, TNF-alpha, and IL-17. MuSK MG patients had a higher percentage of CD4+ T cells producing combinations of IFN-gamma/IL-2/TNF-gamma, TNF-alpha/IL-2, and IFN-gamma/TNF-alpha. Interestingly, Treg numbers and CD39 expression were not different from control values. MuSK MG patients had increased frequencies of Th1 and Th17 cytokines and were primed for polyfunctional proinflammatory responses that cannot be explained by a defect in CD39 expression or Treg number.

CD69, CD25, and HLA-DR activation antigen expression on CD3+ lymphocytes and relationship to serum TNF-alpha, IFN-gamma, and sIL-2R levels in aging

Aging is associated with changes in lymphocyte subsets and unexplained HLA-DR upregulation on T-lymphocytes. We further investigated this activation, by measuring early (CD69), middle (CD25), and late (HLA-DR) T-lymphocyte activation markers on CD3+ lymphocytes, across subjects (20-100 years) together with serum tumor necrosis factor (TNF-alpha), interferon-gamma (IFN-gamma), and soluble interleukin-2 receptor (sIL-2R). HLA-DR was present as a CD3+ HLA-DR+ subset that constituted 8% of total lymphocytes, increased twofold with age and included CD4+, CD8+, and CD45RA+ phenotypes. HLA-DR was also expressed on a CD8+ CD57+ subset. The CD3+ CD25+ subset constituted 13% of lymphocytes, fell with age but was weakly associated with the CD3+ HLA-DR+ subset especially in older subjects. A small 3-5% CD3+ CD69+ subsets showed no age effect. Serum sIL-2R, TNF-alpha, but not IFN-gamma, were associated with CD3+ HLA-DR+ lymphocytes, TNF-alpha with CD8+ CD57+ count and sIL-2R and IFN-gamma with the CD3+ CD25+/CD3+ CD4+ ratio. The study confirms age-related upregulation of HLA-DR on CD3+ lymphocytes, shows some evidence for associated upregulation of CD25 on CD3+ cells in older subjects, and links serum TNF-alpha, IFN-gamma, and sIL2-R to T-lymphocyte activation.

Immune engagement thresholds for CD8+ T CELL control of yherpesvirus-driven B CELL

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Ciências Biopatológicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

CD8 kinetically promotes ligand binding to the T-cell antigen receptor.

The mechanism of CD8 cooperation with the TCR in antigen recognition was studied on live T cells. Fluorescence correlation measurements yielded evidence of the presence of two TCR and CD8 subpopulations with different lateral diffusion rate constants. Independently, evidence for two subpopulations was derived from the experimentally observed two distinct association phases of cognate peptide bound to class I MHC (pMHC) tetramers and the T cells. The fast phase rate constant ((1.7 +/- 0.2) x 10(5) M(-1) s(-1)) was independent of examined cell type or MHC-bound peptides' structure. Its value was much faster than that of the association of soluble pMHC and TCR ((7.0 +/- 0.3) x 10(3) M(-1) s(-1)), and close to that of the association of soluble pMHC with CD8 ((1-2) x 10(5) M(-1) s(-1)). The fast binding phase disappeared when CD8-pMHC interaction was blocked by a CD8-specific mAb. The latter rate constant was slowed down approximately 10-fold after cells treatment with methyl-beta-cyclodextrin. These results suggest that the most efficient pMHC-cell association route corresponds to a fast tetramer binding to a colocalized CD8-TCR subpopulation, which apparently resides within membrane rafts: the reaction starts by pMHC association with the CD8. This markedly faster step significantly increases the probability of pMHC-TCR encounters and thereby promotes pMHC association with CD8-proximal TCR. The slow binding phase is assigned to pMHC association with a noncolocalized CD8-TCR subpopulation. Taken together with results of cytotoxicity assays, our data suggest that the colocalized, raft-associated CD8-TCR subpopulation is the one capable of inducing T-cell activation.

B and T lymphocyte attenuator regulates CD8+ T cell-intrinsic homeostasis and memory cell generation.

B and T lymphocyte attenuator (BTLA) is a negative regulator of T cell activation, but its function in vivo is not well characterized. Here we show that mice deficient in full-length BTLA or its ligand, herpesvirus entry mediator, had increased number of memory CD8(+) T cells. The memory CD8(+) T cell phenotype resulted from a T cell-intrinsic perturbation of the CD8(+) T cell pool. Naive BTLA-deficient CD8(+) T cells were more efficient than wild-type cells at generating memory in a competitive antigen-specific system. This effect was independent of the initial expansion of the responding antigen-specific T cell population. In addition, BTLA negatively regulated antigen-independent homeostatic expansion of CD4(+) and CD8(+) T cells. These results emphasize two central functions of BTLA in limiting T cell activity in vivo.

Single-cell gene-expression profiling reveals qualitatively distinct CD8 T cells elicited by different gene-based vaccines.

CD8 T cells play a key role in mediating protective immunity against selected pathogens after vaccination. Understanding the mechanism of this protection is dependent upon definition of the heterogeneity and complexity of cellular immune responses generated by different vaccines. Here, we identify previously unrecognized subsets of CD8 T cells based upon analysis of gene-expression patterns within single cells and show that they are differentially induced by different vaccines. Three prime-boost vector combinations encoding HIV Env stimulated antigen-specific CD8 T-cell populations of similar magnitude, phenotype, and functionality. Remarkably, however, analysis of single-cell gene-expression profiles enabled discrimination of a majority of central memory (CM) and effector memory (EM) CD8 T cells elicited by the three vaccines. Subsets of T cells could be defined based on their expression of Eomes, Cxcr3, and Ccr7, or Klrk1, Klrg1, and Ccr5 in CM and EM cells, respectively. Of CM cells elicited by DNA prime-recombinant adenoviral (rAd) boost vectors, 67% were Eomes(-) Ccr7(+) Cxcr3(-), in contrast to only 7% and 2% stimulated by rAd5-rAd5 or rAd-LCMV, respectively. Of EM cells elicited by DNA-rAd, 74% were Klrk1(-) Klrg1(-)Ccr5(-) compared with only 26% and 20% for rAd5-rAd5 or rAd5-LCMV. Definition by single-cell gene profiling of specific CM and EM CD8 T-cell subsets that are differentially induced by different gene-based vaccines will facilitate the design and evaluation of vaccines, as well as enable our understanding of mechanisms of protective immunity.

Vaccination-induced functional competence of circulating human tumor-specific CD8 T-cells.

T-cells specific for foreign (e.g., viral) antigens can give rise to strong protective immune responses, whereas self/tumor antigen-specific T-cells are thought to be less powerful. However, synthetic T-cell vaccines composed of Melan-A/MART-1 peptide, CpG and IFA can induce high frequencies of tumor-specific CD8 T-cells in PBMC of melanoma patients. Here we analyzed the functionality of these T-cells directly ex vivo, by multiparameter flow cytometry. The production of multiple cytokines (IFNγ, TNFα, IL-2) and upregulation of LAMP-1 (CD107a) by tumor (Melan-A/MART-1) specific T-cells was comparable to virus (EBV-BMLF1) specific CD8 T-cells. Furthermore, phosphorylation of STAT1, STAT5 and ERK1/2, and expression of CD3 zeta chain were similar in tumor- and virus-specific T-cells, demonstrating functional signaling pathways. Interestingly, high frequencies of functionally competent T-cells were induced irrespective of patient's age or gender. Finally, CD8 T-cell function correlated with disease-free survival. However, this result is preliminary since the study was a Phase I clinical trial. We conclude that human tumor-specific CD8 T-cells can reach functional competence in vivo, encouraging further development and Phase III trials assessing the clinical efficacy of robust vaccination strategies.

CD8(+) T cells specific for tumor antigens can be rendered dysfunctional by the tumor microenvironment through upregulation of the inhibitory receptors BTLA and PD-1.

Cytotoxic T cells that are present in tumors and capable of recognizing tumor epitopes are nevertheless generally impotent in eliciting tumor rejection. Thus, identifying the immune escape mechanisms responsible for inducing tumor-specific CD8(+) T-cell dysfunction may reveal effective strategies for immune therapy. The inhibitory receptors PD-1 and Tim-3 are known to negatively regulate CD8(+) T-cell responses directed against the well-characterized tumor antigen NY-ESO-1. Here, we report that the upregulation of the inhibitory molecule BTLA also plays a critical role in restricting NY-ESO-1-specific CD8(+) T-cell expansion and function in melanoma. BTLA-expressing PD-1(+)Tim-3(-) CD8(+) T cells represented the largest subset of NY-ESO-1-specific CD8(+) T cells in patients with melanoma. These cells were partially dysfunctional, producing less IFN-γ than BTLA(-) T cells but more IFN-γ, TNF, and interleukin-2 than the highly dysfunctional subset expressing all three receptors. Expression of BTLA did not increase with higher T-cell dysfunction or upon cognate antigen stimulation, as it does with PD-1, suggesting that BTLA upregulation occurs independently of functional exhaustion driven by high antigen load. Added with PD-1 and Tim-3 blockades, BTLA blockade enhanced the expansion, proliferation, and cytokine production of NY-ESO-1-specific CD8(+) T cells. Collectively, our findings indicate that targeting BTLA along with the PD-1 and Tim-3 pathways is critical to reverse an important mechanism of immune escape in patients with advanced melanoma.

BTLA mediates inhibition of human tumor-specific CD8+ T cells that can be partially reversed by vaccination.

The function of antigen-specific CD8+ T cells, which may protect against both infectious and malignant diseases, can be impaired by ligation of their inhibitory receptors, which include CTL-associated protein 4 (CTLA-4) and programmed cell death 1 (PD-1). Recently, B and T lymphocyte attenuator (BTLA) was identified as a novel inhibitory receptor with structural and functional similarities to CTLA-4 and PD-1. BTLA triggering leads to decreased antimicrobial and autoimmune T cell responses in mice, but its functions in humans are largely unknown. Here we have demonstrated that as human viral antigen-specific CD8+ T cells differentiated from naive to effector cells, their surface expression of BTLA was gradually downregulated. In marked contrast, human melanoma tumor antigen-specific effector CD8+ T cells persistently expressed high levels of BTLA in vivo and remained susceptible to functional inhibition by its ligand herpes virus entry mediator (HVEM). Such persistence of BTLA expression was also found in tumor antigen-specific CD8+ T cells from melanoma patients with spontaneous antitumor immune responses and after conventional peptide vaccination. Remarkably, addition of CpG oligodeoxynucleotides to the vaccine formulation led to progressive downregulation of BTLA in vivo and consequent resistance to BTLA-HVEM-mediated inhibition. Thus, BTLA activation inhibits the function of human CD8+ cancer-specific T cells, and appropriate immunotherapy may partially overcome this inhibition.

Overexpression of GPC6 and TMEM132D in Early Stage Ovarian Cancer Correlates with CD8+ T-Lymphocyte Infiltration and Increased Patient Survival.

Infiltration of cytotoxic T-lymphocytes in ovarian cancer is a favorable prognostic factor. Employing a differential expression approach, we have recently identified a number of genes associated with CD8+ T-cell infiltration in early stage ovarian tumors. In the present study, we validated by qPCR the expression of two genes encoding the transmembrane proteins GPC6 and TMEM132D in a cohort of early stage ovarian cancer patients. The expression of both genes correlated positively with the mRNA levels of CD8A, a marker of T-lymphocyte infiltration [Pearson coefficient: 0.427 (p = 0.0067) and 0.861 (p < 0.0001), resp.]. GPC6 and TMEM132D expression was also documented in a variety of ovarian cancer cell lines. Importantly, Kaplan-Meier survival analysis revealed that high mRNA levels of GPC6 and/or TMEM132D correlated significantly with increased overall survival of early stage ovarian cancer patients (p = 0.032). Thus, GPC6 and TMEM132D may serve as predictors of CD8+ T-lymphocyte infiltration and as favorable prognostic markers in early stage ovarian cancer with important consequences for diagnosis, prognosis, and tumor immunobattling.

L’impact de la grossesse sur l’amplitude et la diversité de la reconnaissance antigénique des lymphocytes T cytotoxiques dirigés contre le VIH-1

La transmission mère-enfant (TME) du VIH-1 est un des enjeux majeurs de la pandémie. Une meilleure compréhension de la réponse des lymphocytes T cytotoxiques CD8+ (LTC) VIH-spécifiques lors de la grossesse facilitera le design de stratégies optimales pour diminuer la TME. Notre objectif est donc de caractériser l’amplitude et la diversité de la reconnaissance antigénique des LTC VIH-spécifiques avant, pendant et après la grossesse chez des femmes infectées par le VIH-1. Nos résultats montrent pour la première fois que l’initiation et la progression de la grossesse, à elles seules, n'ont que peu d’influence sur l’amplitude et la diversité de la reconnaissance antigénique des réponses LTC en termes de production d’IFN‐. Ces résultats indiquent que les femmes infectées par le VIH conservent une immunocompétence durant leur grossesse, du moins dans le contexte d’un traitement antirétroviral efficace. Ceci pourrait éventuellement aider à promouvoir l’immunisation comme stratégie pour prévenir la TME du VIH‐1.

Étude de l’implication de la force du signal transmis par le récepteur des cellules T dans le développement et la survie des lymphocytes T mémoires

Suite à la rencontre d’un antigène (Ag) présenté à la surface des cellules présentatrice de l’Ag (CPA), les lymphocytes T naïfs, ayant un récepteur des cellules T (RCT) spécifique de l’Ag, vont proliférer et se différencier en LT effecteurs (1). Suite à l’élimination de l’Ag la majorité des LTe vont mourir par apoptose alors que les restants vont se différencier en LT mémoire (LTm) protégeant l’organisme à long terme. Les mécanismes qui permettent la différenciation des LTe en LTm sont encore inconnus. Pour comprendre comment les LTm CD8+ sont générés à partir des LTe, nous avons émis l’hypothèse que la densité de l’Ag présenté par les CPA peut avoir un impact sur la sélection des LT CD8+ répondant l’Ag à se différencier en LTm. De manière intéressante, nos résultats montrent qu’une immunisation avec des cellules dendritiques (DCs) exprimant un haut niveau de complexe CMH/peptide à sa surface permet le développement de LTm. À l’inverse, le développement des LTm est fortement réduit (10-20X) lorsque les souris sont immunisées avec des DCs exprimant un niveau faible de complexes CMH/peptide à leur surface. De plus, la quantité d’Ag n’a aucune influence ni sur l’expansion des LT CD8+ ni sur l’acquisition de leurs fonctions effectrices, mais affecte de manière critique la génération des LTm. Nos résultats suggèrent que le nombre de RCT engagé lors de la reconnaissance de l’Ag est important pour la formation des LTm. Pour cela nous avons observé par vidéo-microscopie le temps d’interaction entre des LTn et des DCs. Nos résultats montrent que le temps et la qualité de l’interaction sont dépendants de la densité d’Ag présenté par les DCs. Effectivement, nous observons une diminution dans le pourcentage de LT faisant une interaction prolongée avec les DCs quand le niveau d’Ag est faible. De plus, nous observons des variations de l’expression des facteurs de transcription clefs impliqués dans la différenciation des LTm tels qu’Eomes, Bcl-6 et Blimp-1. Par ailleurs, la densité d’Ag fait varier l’expression du Neuron-derived orphan nuclear receptor 1 (Nor-1). Nor-1 est impliqué dans la conversion de Bcl-2 en molécule pro-apoptotique et contribue à la mort par apoptose des LTe pendant la phase de contraction. Notre modèle propose que la densité de l’épitope contrôle la génération des CD8+ LTm. Une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la génération des LTm permettra le développement de meilleures stratégies pour la génération de vaccin. Dans un second temps, nous avons évalué le rôle du signal RCT dans l’homéostasie des LTm. Pour ce faire, nous avons utilisé un modèle de souris transgénique pour le RCT dont son expression peut être modulée par un traitement à la tétracycline. Ce système nous a permis d’abolir l’expression du RCT à la surface des LTm. De manière intéressante, en absence de RCT exprimé, les LTm CD8+ peuvent survivre à long terme dans l’organisme et rester fonctionnels. De plus, une sous population des LTm CD4+ a la capacité de survivre sans RCT exprimé dans un hôte lymphopénique alors que l’autre sous population nécessite l’expression du RCT.

L’influence du réseau de chimiokines sur les lymphocytes T dans le contexte de l’infection à virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1)

Les chimiokines et leurs récepteurs respectifs jouent un rôle important dans l’immunité innée et adaptative. Les récepteurs de chimiokines identifient des cellules T CD4+ avec potentiel de migration dans des tissus spécifiques et à fonctionnalité distincte du point de vue de la spécificité antigénique et de la production de cytokines. L’identité de la population des cellules T CD4+ susceptibles versus résistantes à l’infection par le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) reste mal définie. Le recrutement dans les muqueuses intestinales d’un excès de cellules T effectrices (CD8+) comparé aux cellules cibles (CD4+) représente un bon pronostic de l’infection par le virus de l’immunodéficience simienne (VIS), tandis que la déplétion des cellules Th17 dans les tissus lymphoïdes associés au tractus gastro-intestinal (GALT) est un marqueur de la progression de l’infection à VIH. L’effet régulateur des chimiokines sur l’activation de la réplication virale dans différentes sous-populations cellulaires T CD4+ reste peu étudié. Ce projet de maîtrise est divisé en 3 parties: (1) l’identification des récepteurs de chimiokines CCR4, CXCR3 et CCR6 comme marqueurs de surfaces des sous populations T CD4+ avec susceptibilité distincte à l’infection par le VIH; (2) la caractérisation phénotypique et fonctionnelle des cellules T CD4+ et T CD8+ spécifiques au VIH de sujets à progression lente vers le stade sida (LTNP); et (3) les effets des chimiokines ligands de CCR4, CXCR3 et CCR6 sur l’activation cellulaire et la réplication virale in vitro. Nos résultats démontrent que les cellules T CD4+ CCR4+CCR6+ (profile cytokinique Th17) et CXCR3+CCR6+ (profile cytokinique Th1/Th17) sont hautement permissives à l’infection par le VIH. Nous proposons également de nouveaux corrélats de protection immunitaire contre le VIH chez les sujets LTNP: (i) le potentiel de co-localisation dans les muqueuses intestinales des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH via l’intégrine β7, (ii) le ratio élevé entre les cellules T effectrices (CD8+) versus les cellules cibles (CD4+) spécifiques au VIH, (iii) le profil cytokinique Th17 et (iv) la capacité des cellules T CD4+ et CD8+ spécifiques au VIH à produire des ligands de CCR5 bloquant l’entrée virale. Finalement, nos résultats sur l’effet co-stimulateur des chimiokines sur les cellules T et leurs effets opposés sur la réplication virale démontrent l’implication du réseau des chimiokines dans la régulation de la pathogenèse de l’infection à VIH.

Étude du rôle des lymphocytes T chez les receveurs pédiatriques de greffe de sang de cordon ombilical

La transplantation de sang de cordon ombilical (TSCO) est utilisée pour traiter les enfants atteints de maladies hématologiques en l’absence de donneurs apparentés compatibles. Elle est associée avec des risques plus élevés d’échec de greffe et d’infections opportunistes dans les premiers mois qui suivent la transplantation en comparaison avec une greffe de moelle osseuse. Par contre, la TSCO comporte un risque plus faible de maladie du greffon contre l’hôte et une incidence comparable de rechute de leucémie. Ces quatre complications impliquent directement les lymphocytes T. Dans le but de mieux comprendre le schéma particulier des évènements qui suivent la TSCO et d’améliorer le pronostic des patients, nous avons étudié le potentiel fonctionnel, la persistance et la reconstitution antivirale des lymphocytes T au sein d’un groupe d’enfants transplantés de sang de cordon ombilical (SCO). Étant donné que le SCO contient une majorité de lymphocytes T naïfs, nous avons étudié les lymphocytes T spécifiques au HLA-A2:Melan-A26-35 A27L; seul répertoire naïf et abondant caractérisé chez l’homme. Nous avons observé que les lymphocytes T du SCO se différencient en populations effectrices, s’oligoclonalisent, produisent de l’IFN-γ et lysent spécifiquement leur cible suite à la stimulation. Néanmoins, ces cellules produisent moins d’IFN-γ et sont moins bifonctionnelles que leurs homologues issus du sang périphérique d’adultes. Chez les patients, les lymphocytes T du SCO s’épuisent après la TSCO : ils s’oligoclonalisent dramatiquement, sont principalement en différenciation terminale, et une importante fréquence exprime PD-1 (« programmed death-1 ») dans les 3 à 6 premiers mois post-greffe. Très peu de patients sont capables de développer des réponses antivirales durant cette période et la fréquence de lymphocytes T qui expriment PD-1 semble aussi avoir un impact sur le risque subséquent de faire une rechute de leucémie. La deuxième vague de lymphocytes T émergeant à 6 mois post-TSCO mène à une population fonctionnelle et diversifiée. En conclusion, la fonctionnalité des lymphocytes T présents dans les 3 à 6 premiers mois post-TSCO doit être rétablie pour améliorer les risques d’infections opportunistes et de rechute de leucémie.