Induction of anti-chlamydial mucosal immunity by transcutaneous immunization is enhanced by topical application of GM-CSF

Transcutaneous immunization (TCI) involves the direct application of antigen plus adjuvant to skin, taking advantage of the large numbers of Langerhans cells and other resident skin dendritic cells, that process antigen then migrate to draining lymph nodes where immune responses are initiated. We have used this form of immunization to protect mice against genital tract and respiratory tract chlamydial infection. Protection was associated with local antibody responses in the vagina, uterus and lung as well as strong Th1 responses in the lymph nodes draining the reproductive tract and lungs respectively. In this study we show that topical application of GM-CSF to skin enhances the numbers and activation status of epidermal dendritic cells. Topical application of GM-CSF also increased the immune responses elicited by TCI. GM-CSF supplementation greatly increased cytokine (IFNgamma and IL-4) gene expression in lymph node and splenic cells compared to cells from animals immunized without GM-CSF. IgG responses in serum, uterine lavage and bronchoalveolar lavage and IgA responses in vaginal lavage were also increased by topical application of GM-CSF. The studies show that TCI induces protection against genital and respiratory tract chlamydial infections and that topical application of cytokines such as GM-CSF can enhance TCI-induced antibody and cell-mediated immunity.

Distinctive effects of G-CSF, GM-CSF and TNFalpha on neutrophil apoptosis in systemic lupus erythematosus.

OBJECTIVE: To investigate the influence of culture with G-CSF GM-CSF and TNFalpha on neutrophil apoptosis, comparing neutrophils from SLE patients with rheumatoid arthritis (RA) patients and healthy control subjects. METHODS: Neutrophils were isolated from SLE (n= 10), RA (n= 10) and healthy control subjects (n= 10), and cultured with two different concentrations of G-CSF, GM-CSF and TNFalpha. Proportion of apoptotic neutrophils at T=0, T=2hrs and T=24hrs was measured using FITC-labelled annexinV and flow cytometry. RESULTS: Significantly more neutrophils were apoptotic at T=0 in the SLE subjects than in the other groups (median, range--Control 3.5% (0.3-7.9) SLE 9.5% (2.9-29.1) RA 3.0% (0.4-23.0) p

CCL11 blocks IL-4 and GM-CSF signaling in hematopoietic cells and hinders dendritic cell differentiation via suppressor of cytokine signaling expression

The chemokine eotaxin/CCL11 is an important mediator of leukocyte migration, but its effect on inflammatory cytokine signaling has not been explored. In this study, we find that CCL11 induces suppressor of cytokine signaling (SOCS) 1 and SOCS3 expression in murine macrophages, human monocytes, and dendritic cells (DCs). We also discover that CCL11 inhibits GM-CSF-mediated STAT5 activation and IL-4-induced STAT6 activation in a range of hematopoietic cells. This blockade of cytokine signaling by CCL11 results in reduced differentiation and endocytic ability of DCs, implicating CCL11-induced SOCS as mediators of chemotactic inflammatory control. These findings demonstrate cross-talk between chemokine and cytokine responses, suggesting that myeloid cells tracking to the inflammatory site do not differentiate in the presence of this chemokine, revealing another role for SOCS in inflammatory regulation. J. Leukoc. Biol. 85: 289-297; 2009.

Cutting Edge: Suppression of GM-CSF Expression in Murine and Human T Cells by IL-27

GM-CSF is a potent proinflammatory cytokine that plays a pathogenic role in the CNS inflammatory disease experimental autoimmune encephalomyelitis. As IL-27 alleviates experimental autoimmune encephalomyelitis, we hypothesized that IL-27 suppresses GM-CSF expression by T cells. We found that IL-27 suppressed GM-CSF expression in CD4+ and CD8+ T cells in splenocyte and purified T cell cultures. IL-27 suppressed GM-CSF in Th1, but not Th17, cells. IL-27 also suppressed GM-CSF expression by human T cells in nonpolarized and Th1- but not Th17-polarized PBMC cultures. In vivo, IL-27p28 deficiency resulted in increased GM-CSF expression by CNS-infiltrating T cells during Toxoplasma gondii infection. Although in vitro suppression of GM-CSF by IL-27 was independent of IL-2 suppression, IL-10 upregulation, or SOCS3 signaling, we observed that IL-27-driven suppression of GM-CSF was STAT1 dependent. Our findings demonstrate that IL-27 is a robust negative regulator of GM-CSF expression in T cells, which likely inhibits T cell pathogenicity in CNS inflammation.

GM-CSF receptor targeted treatment of primary AML in SCID mice using Diphtheria toxin fused to huGM-CSF

The severe combined immunodeficient (SCID) mouse model may be used to evaluate new approaches for the treatment of acute myeloid leukemia (AML). We have previously demonstrated the killing of SCID mouse leukemia initiating cells by in vitro incubation with human GM-CSF fused to Diphtheria toxin (DT-huGM-CSF). In this report, we show that in vivo treatment with DT-huGM-CSF eliminates AML growth in SCID mice. Seven cases of AML were studied. SCID mice were treated intraperitoneally with the maximally tolerated dose of 75 microg/kg/day for 7 days. Antileukemic efficacy was determined at days 40 and 80 after transplantation, by enumerating the percentages of human cells in SCID bone marrow using flow cytometry and short tandem repeat polymerase chain reaction (STR-PCR) analysis. Four out of seven AML cases were sensitive to in vivo treatment with DT-huGM-CSF at both evaluation time points. In three of these cases, elimination of human cells was demonstrated by flow cytometry and STR-PCR. One AML case showed moderate sensitivity for DT-huGM-CSF, and growth of the two remaining AML cases was not influenced by DT-huGM-CSF. Sensitivity was correlated with GM-CSFR expression. Our data show that DT-huGM-CSF can be used in vivo to reduce growth of AML and warrant further development of DT-huGM-CSF for the treatment of human AML.

Contribution des protéines issues du liquide synovial dans la protection et la survie des PMN humains : chimioprotection : étude comparative des mécanismes d’action impliqués par rapport au GM-CSF

Les polymorphonucléaires neutrophiles (PMNs) représentent une arme primordiale dans la défense contre divers agents pathogènes; notamment les bactéries, les champignons, les cellules tumorales de même que les cellules infectées par des virus. Cependant, certaines pathologies reliées à l’inflammation chronique soulèvent l’implication des neutrophiles notamment dans l’arthrite rhumatoïde. La réponse inflammatoire persistante générée par l’activation et la survie des neutrophiles engendre une destruction des tissus environnants suite à la sécrétion non contrôlée de leurs produits cytotoxiques. Même si l’activation chronique des neutrophiles est néfaste dans plusieurs pathologies, elle pourrait s’avérer un bon outil en cas de neutropénie, comme c’est souvent le cas les patients ayant reçu des traitements de chimiothérapie. Ce projet fait suite aux travaux doctoraux de Lagraoui (1999). Il vise à identifier le(s) facteur(s) du liquide synovial qui augmente la survie des neutrophiles ainsi que le mécanisme d’action impliqué dans ce processus. Similairement au facteur semi-pur isolés par Lagraoui (1999), le milieu conditionné concentré (MCC) augmente la survie des PMNs de 75% (39% ± 9.5 vs 68% ± 2.5, p<0.01). Suivant le séquençage du MCC parallèlement au facteur semi-pur actif, deux protéines ont été identifiées à la fois dans le MCC et dans le facteur semi-pur soient : l’albumine et la fétuine. Notre projet vise donc à comparer les effets de l’albumine et de la fétuine à ceux du GM-CSF dans l’optique d’une thérapie alternative au GM-CSF en tant qu’adjuvant de chimiothérapie. La présence d’albumine, de fétuine ou de GM-CSF chez les PMNs incubés 24 heures avec la Mutamycin® induit une diminution du nombre de cellules en apoptose par rapport à la Mutamycin® (Ctrl : 43% ± 10; A : 74% ± 3; F : (82% ± 6 et GM : 74% ± 7; p<0.01). L’effet de l’albumine dépend de la voie de la kinase PI3 mais également celle la kinase ERK, alors que celle de la fétuine dépend de la kinase PI3. Similairement l’EPO, l’albumine et la fétuine supporte la différentiation des HSCs en précurseurs érythrocytaires de type BFU-E. Dans un modèle murin de chiomioprotection, l’albumine augmente la concentration cellulaire rapport au groupe contrôle des leukocytes de la rate (66 ±8 x106c/ml vs 81 ±16 x106c/ml) et du sang (3.6 ±0.4 x106c/ml vs 5.7 ±2.3 x106c/ml). Donc, in vitro, l’albumine et la fétuine sont comparables au GM-CSF au niveau fonctionalité et mécansimes d’action. Cependant, vu leur manque de spécificité, l’application thérapeutique en tant qu’adjuvant de chiomiothérapie de l’albumine et la fétuine est peu prometteuse. Par contre, les maladies dégénératives et les évènements ischémiques pourraient s’avérer de bonnes cibles thérapeutiques, principalement pour l’albumine.

Paracoccidioides brasifiensis killing by IFN-gamma, TNF-alpha and GM-CSF activated human neutrophils: role for oxygen metabolites

Paracoccidioidomycosis, a deep mycosis endemic in Latin America, is a chronic granulomatous disease caused by the fungus Paracoccidioides brasiliensis. Phagocytic cells play a critical role against the fungus and several papers show the effects of activator and suppressive cytokines on macrophage and monocyte functions. However, the studies focusing on polymorphonuclear neutrophils (PMNs) antifungal functions are scarcer. Thus, the objective of the present paper was to assess the capacity of human PMNs to kill virulent P brasiliensis strain in vitro, before and after priming with different cytokines. Moreover, the involvement of oxygen metabolites in this activity was evaluated. Nonactivated cells failed to exhibit antifungal activity. However, when these cells were IFN-gamma, TNF-alpha or GM-CSF activated, a significative fungicidal activity was detected. This process was significantly inhibited when P brasiliensis challenge occurred in presence of catalase (CAT - a scavenger of H2O2) and superoxide dismutase (SOD - a scavenger of superoxide anion). From these results it is concluded that cytokines activation is required for P brasiliensis killing by human PMNs, and that H2O2 and Superoxide anion participate as effectors molecules in this process.

Ativação e diferenciação de monócitos humanos com GM-CSF in vitro para aquisição de atividade fungicida contra o Paracoccidioides brasiliensis: papel dos metabólitos do oxigênio e nitrogênio

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

GM-CSF Priming Drives Bone Marrow-Derived Macrophages to a Pro-Inflammatory Pattern and Downmodulates PGE(2) in Response to TLR2 Ligands

In response to pathogen recognition by Toll-like receptors (TLRs) on their cell surface, macrophages release lipid mediators and cytokines that are widely distributed throughout the body and play essential roles in host responses. Granulocyte macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) is important for the immune response during infections to improve the clearance of microorganisms. In this study, we examined the release of mediators in response to TLR2 ligands by bone marrow-derived macrophages (BMDMs) primed with GM-CSF. We demonstrated that when stimulated with TLR2 ligands, non-primed BMDMs preferentially produced PGE(2) in greater amounts than LTB4. However, GM-CSF priming shifted the release of lipid mediators by BMDMs, resulting in a significant decrease of PGE(2) production in response to the same stimuli. The decrease of PGE(2) production from primed BMDMs was accompanied by a decrease in PGE-synthase mRNA expression and an increase in TNF-alpha and nitric oxide (NO) production. Moreover, some GM-CSF effects were potentiated by the addition of IFN-gamma. Using a variety of TLR2 ligands, we established that PGE(2) release by GM-CSF-primed BMDMs was dependent on TLR2 co-receptors (TLR1, TLR6), CD14, MyD88 and the nuclear translocation of NF kappa B but was not dependent on peroxisome proliferator-activated receptor-gamma (PPAR-gamma) activation. Indeed, GM-CSF priming enhanced TLR2, TLR4 and MyD88 mRNA expression and phospho-I kappa B alpha formation. These findings demonstrate that GM-CSF drives BMDMs to present a profile relevant to the host during infections.

Macrophage Dectin-1 Expression Is Controlled by Leukotriene B-4 via a GM-CSF/PU.1 Axis

Pattern recognition receptors for fungi include dectin-1 and mannose receptor, and these mediate phagocytosis, as well as production of cytokines, reactive oxygen species, and the lipid mediator leukotriene B-4 (LTB4). The influence of G protein-coupled receptor ligands such as LTB4 on fungal pattern recognition receptor expression is unknown. In this study, we investigated the role of LTB4 signaling in dectin-1 expression and responsiveness in macrophages. Genetic and pharmacologic approaches showed that LTB4 production and signaling through its high-affinity G protein-coupled receptor leukotriene B4 receptor 1 (BLT1) direct dectin-1-dependent binding, ingestion, and cytokine production both in vitro and in vivo. Impaired responses to fungal glucans correlated with lower dectin-1 expression in macrophages from leukotriene (LT)- and BLT1-deficent mice than their wildtype counterparts. LTB4 increased the expression of the transcription factor responsible for dectin-1 expression, PU.1, and PU.1 small interfering RNA abolished LTB4-enhanced dectin-1 expression. GM-CSF controls PU.1 expression, and this cytokine was decreased in LT-deficient macrophages. Addition of GM-CSF to LT-deficient cells restored expression of dectin-1 and PU.1, as well as dectin-1 responsiveness. In addition, LTB4 effects on dectin-1, PU.1, and cytokine production were blunted in GM-CSF-/- macrophages. Our results identify LTB4-BLT1 signaling as an unrecognized controller of dectin-1 transcription via GM-CSF and PU.1 that is required for fungi-protective host responses. The Journal of Immunology, 2012, 189: 906-915.

GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor): Modulation der durch UV-B-Strahlung induzierten Hautkarzinogenese

UV-B-Strahlung, die durch die fortschreitende Zerstörung der Ozonschicht zunimmt, ist hauptsächlich für das Entstehen von Basaliomen und Plattenepithelkarzinomen verantwort-lich, an denen jedes Jahr etwa 2-3 Millionen Menschen weltweit erkranken. UV-B indu-zierte Hautkarzinogenese ist ein komplexer Prozess, bei dem vor allem die mutagenen und immunsuppressiven Wirkungen der UV-B-Strahlung von Bedeutung sind. Die Rolle von GM-CSF in der Hautkarzinogenese ist dabei widersprüchlich. Aus diesem Grund wurde die Funktion von GM-CSF in vivo in der UV-B induzierten Hautkarzinogenese mittels zwei bereits etablierter Mauslinien untersucht: Erstens transgene Mäuse, die einen GM-CSF Antagonisten unter der Kontrolle des Keratin-10-Promotors in den suprabasalen Schichten der Epidermis exprimieren und zweitens solche, die unter dem Keratin-5-Promotor murines GM-CSF in der Basalschicht der Epidermis überexprimieren. Eine Gruppe von Tieren wurde chronisch, die andere akut bestrahlt. Die konstitutionelle Verfassung der Tiere mit erhöhter GM-CSF-Aktivität in der Haut war nach chronischer UV-B-Bestrahlung insgesamt sehr schlecht. Sie wiesen deshalb eine stark erhöhte Mortali-tät auf. Dies ist sowohl auf die hohe Inzidenz als auch dem frühen Auftreten der benignen und malignen Läsionen zurückzuführen. Eine verminderte GM-CSF Aktivität verzögerte dagegen die Karzinomentwicklung und erhöhte die Überlebensrate leicht. GM-CSF wirkt auf verschiedenen Ebenen tumorpromovierend: Erstens erhöht eine gesteigerte Mastzell-anzahl in der Haut der GM-CSF überexprimierenden Tiere per se die Suszeptibilität für Hautkarzinogenese. Zweitens stimuliert GM-CSF die Keratinozytenproliferation. Dadurch kommt es nach UV-B-Bestrahlung zu einer prolongierten epidermalen Hyperproliferation, die zur endogenen Tumorpromotion beiträgt, indem sie die Bildung von Neoplasien unter-stützt. Der Antagonist verzögert dagegen den Proliferationsbeginn, die Keratinozyten blei-ben demzufolge länger in der G1-Phase und der durch UV-B verursachte DNA-Schaden kann effizienter repariert werden. Drittens kann GM-CSF die LCs nicht als APCs aktivie-ren und eine Antitumorimmunität induzieren, da UV-B-Strahlung zur Apoptose von LCs bzw. zu deren Migration in Richtung Lymphknoten führt. Zusätzlich entwickeln GM-CSF überexprimierende Tiere in ihrer Haut nach UV-B-Bestrahlung ein Millieu von antago-nistisch wirkenden Zytokinen, wie TNF-a, TGF-b1 und IL-12p40 und GM-CSF, die proinflammatorische Prozesse und somit die Karzinomentwicklung begünstigen. Der Anta-gonist hemmt nach UV-B-Bestrahlung die Ausschüttung sowohl von immunsuppressiven Zytokinen, wie etwa TNF-a, als auch solchen, die die Th2-Entwicklung unterstützen, wie etwa IL-10 und IL-4. Dies wirkt sich negativ auf die Karzinomentwicklung aus.

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.