Antigen-independent pathogenic and protective immunity in chronic neuroinflammation

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory condition of the central nervous system (CNS), in which myelin-specific T cells seem to be responsible for the orchestration of an autoimmune reaction that leads to demyelination, as well as axonal and neuronal damage. Research in the field of neuroinflammation has tended to focus exclusively on CNS-specific lymphocytes of the adaptive immune system, while the implications of antigen-independent processes triggered by non-CNS specific lymphocytes such as CNS-unrelated T cells or natural killer (NK) cells, remains underexplored. Using a model of living organotypic brain slices, we demonstrated that non-CNS specific CD4-positive T cells are indeed able to interact with and damage neurons. Moreover, combining two imaging approaches, magnetic resonance imaging and multiphoton microscopy, we showed that CNS-irrelevant T cells recognizing a peptide of ovalbumin have the capacity to not only enter the CNS, but also to promote alterations in the permeability of cerebral blood vessels, without causing cellular neuropathology. Nevertheless, in the inflamed brain, bystander perturbations of the blood-brain barrier caused by non-specific effector cells may have further pathological consequences, and might contribute to infection-triggered relapses, as are observed in patients suffering from MS. On the other side, our data suggest that NK cells may have a protective, disease-limiting role in neuroinflammation. We demonstrated that expression of the fractalkine receptor CX3CR1 distinguishes between immature and mature NK cells, and that the frequency of circulating immature CX3CR1- NK cells is increased in stable MS patients, but decreased during relapses. We further demonstrated that CX3CR1- NK cells display a rather immature phenotype, and are distinct from fully differentiated CX3CR1-expressing cells in terms of cytolytic activity, cytokine profile, proliferative response and their impact on monocyte functionality. We also demonstrated that NK cells in the cerebrospinal fluid (CSF) display an immature phenotype that contrasts with the phenotype of circulating blood NK cells. Immature NK cells may employ the same chemotactic tools as central memory T cells to traffic into the CSF. Thus, the CSF may represent an intermediary compartment for NK cell trafficking and differentiation before entering the CNS parenchyma. While increased circulation of immature NK cells has usually been associated with the beneficial effects of various MS treatments such as IFN-beta or daclizumab, we showed in a study with mitoxantrone (MX), that rather it is the generation of mature functional active subsets of NK cells that may be beneficial during MS. Sustained MX treatment promoted not only persistent NK cell enrichment, but also NK cell maturation. Importantly, MX-induced NK cell maturation was associated with the clinical response to MX treatment. Altogether our studies point to potential collateral effects of non-CNS specific cells in neuronal injury, and contribute to the identification of novel aspects of NK biology and their implications in neuroinflammation.

Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung des Zentralnervensystems (ZNS), die von proinflammatorischen, autoreaktiven T-Zellen initiiert und dirigiert wird und die zur Demyelinisierung bzw. axonalen und neuronalen Schädigung führen kann. Die Erforschung der MS- Pathogenese hat sich meist auf die Rolle ZNS-spezifischer Lymphozyten des erworbenen Immunsystems fokussiert. Die Rolle antigenunabhängiger Prozesse, die von nicht-ZNS-spezifischen Lymphozyten ausgelöst werden (CNS-irrelevante T-Zellen oder NK-Zellen beispielsweise), fanden bislang wenig Beachtung. Mit Hilfe von organotypischen Hirnschnitten konnten wir zeigen, dass nicht-ZNS- spezifische T-Zellen in der Lage sind, mit Neuronen zu interagieren und sie zu schädigen. Ferner konnten wir durch Verwendung von zwei getrennten bildgebenden Verfahren (MRT- und Zwei-Photonen-Mikroskopie) zeigen, dass nicht-ZNS-spezifische T-Zellen in der Lage sind, in vivo in das ZNS einzuwandern und in geringem Ausmaß Störungen der Blut-Hirn-Schranke zu induzieren. Sie rufen dabei aber keine zelluläre ZNS-Pathologie hervor. Im Rahmen einer bereits existierenden ZNS-Inflammation könnten die von nicht spezifischen Zellen verursachten bystander Alterationen der Blut-Hirn-Schranke jedoch zur Pathologie führen und sogar zur Initiierung eines Erkrankungsschubes als Folge einer Infektion beitragen. Auf der anderen Seite weisen unsere Daten auf eine protektive Rolle der NK-Zellen in der Neuroinflammation hin. Wir konnten bereits zeigen, dass die Expression des Chemokinrezeptors CX3CR1 reife und unreife NK-Zellen unterscheidet. Hinzu zeigte sich, dass die Frequenz unreifer CX3CR1-negativer NK-Zellen im Blut von MS-Patienten in der Remission steigt, dagegen im Schub absinkt. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass NK-Zellen in der Zerebrospinalflüssigkeit von Patienten mit neuroinflammatorischen Erkrankungen einen eher unreifen Phänotyp aufweisen, welcher mit dem reifen CX3CR1-positiven Phänotyp der Blut NK-Zellen kontrastiert. Die Wanderung unreifer NK- Zellen in die Zerebrospinalflüssigkeit könnte nach dem gleichen Prinzip wie die Migration von Gedächtniszellen geschehen. Demzufolge könnte die Zerebrospinalflüssigkeit ein für die NK-Zellwanderung und Differenzierung wichtiges Kompartiment zwischen Blut und ZNS darstellen. Bisher wurde eine erhöhte Frequenz unreifer NK-Zellen mit dem therapeutischen Nutzen von IFN-beta und Daclizumab in Verbindung gebracht. Unsere Daten von Mitoxantrone (MX) behandelten MS- Patienten weisen jedoch darauf hin, dass eher die therapiebedingte Generierung von reifen NK-Zellen wichtig für die MX -Wirkung ist. Wir zeigten, dass die Behandlung mit MX nicht nur zu einer persistenten Erhöhung der NK-Zellfrequenz führt sondern auch zu einer gezielten NK-Zellreifung. MX-induzierte NK- Zellreifung war der einzige untersuchte Parameter, der mit der klinischen Antwort auf die Therapie korrelierte. Alles in allem weisen unsere Arbeiten auf eine mögliche kollaterale Wirkung nicht-ZNS-spezifischer T-Zellen bei der neuronalen Schädigung hin. Darüber hinaus trägt unsere Arbeit zu weiterer Aufklärung der NK-Zellbiologie und der Rolle von NK-Zellen bei der Neuroinflammation bei.