Visualization of immune cells during toxoplasma gondii infection

Abstract

Toxoplasma gondii is an intracellular protozoan parasite that infects most warm-blooded animals. While in healthy individuals the infection is asymptomatic, in immunocompromised individuals, the infection can lead to serious diseases. Like the human, the mouse is a natural host for the parasite, and the mouse immune response to T. gondii is similar in many respects to the human. Therefore, mouse models provide an excellent experimental model for understanding the process of the immune response to T. gondii infection. To understand how the mammalian immune system responds to T. gondii during the acute and chronic phase of infection, two-photon laser scanning microscopy was used to visualize and track the dynamics and interactions between parasites and immune cells in living tissues such as the lymph node and brain. To study very early immune events after T. gondii infection, we chose a highly synchronized system where high numbers of the parasites were injected into the earflap. In this system, the parasites arrive within minutes of inoculation in the draining lymph nodes and get captured by subcapsular sinus macrophages. We found that at the very early stage of infection, neutrophils migrate to the lymph node and start to form, in cooperative action, transient and persistent swarms in highly infected areas. Further, we could correlate swarm formation with removal of CD169+ macrophages at the subcapsular sinus, which may be a defense mechanism to prevent further spread of the parasite. Shortly after neutrophil recruitment, CD8+ T cells migrate to foci of infection and form antigen-specific clusters with remaining infected CD169+ macrophages at the subcapsular sinus. During these stable interactions, target cells are lysed, and parasites often invade T cells, contributing to parasite dissemination to other tissues. The parasite T. gondii has developed strategies to escape the immune system and to hide in organs, such as the brain, where the entry of immune cells is restricted. These organs need to have special immune regulatory mechanisms to prevent the reactivation of inflammation. We found that during chronic phase of infection, CD8+ T cells did not interact with intact cysts, but instead responded to granuloma-like structures in the brain that contained individual parasites or had isolated parasites nearby. CD8+ T cells within the granuloma structures move slowly and arrested more frequently compared to CD8+ T cells outside of the granuloma structures, consistent with ongoing antigen recognition. But, within the granuloma structures, CD8+ T cells did not slow or arrest near parasites. Rather, the CD8+ T cells were distributed evenly in the entire granuloma structure. Here we hypothesize that those granuloma structures cross-present antigens to CD8+ T cells. Studies to characterize the behavior of additional immune cells will allow us to fill in the gaps of the immune response and allow us to build a complete picture of the orchestration of an immune response during infection. Our work provides information about how the immune cells recognize and interact with each other, which contributes to our understanding of the immune system and the mechanisms by which it protects us from pathogens.

Toxoplasma gondii ist ein einzelliger, intrazellulärer Parasit, der die meisten warmblütigen Tiere infizieren kann. Während bei gesunden Individuen eine Infektion mit T. gondii meist asymptomatisch verläuft, kann eine Infektion bei immungeschwächten Individuen zu schweren Krankheiten führen. Das Mausmodell eignet sich ausgezeichnet als experimentelles Tiermodell, um die Immunantwort auf eine T. gondii-Infektion zu untersuchen und zu verstehen, da die Maus ebenso wie der Mensch ein natürlicher Wirt des Parasiten ist und zudem die Immunantwort der Maus in vielerlei Hinsicht der Immunantwort des Menschen ähnelt. Um die Dynamik und die Interaktionen zwischen infizierten Zellen und Immunzellen in lebendem Gewebe, wie Lymphknoten und Gehirn, während einer Infektion zu visualisieren und zu verfolgen, wurde die Zwei-Photonen- Laserscanner-Mikroskopie verwendet. In dieser Arbeit wurde zur Untersuchung der Immunantwort nach einer Infektion mit T. gondii ein hochsynchronisiertes System genutzt, bei dem zunächst eine große Dosis von T. gondii-Parasiten in die Ohrmuschel von Mäusen injiziert wird. Anschließend gelangen die Parasiten von dort durch das lymphatische System innerhalb weniger Minuten nach der Injektion in die nahegelegenen Lymphknoten, wo sie von subkapsulären Makrophagen „eingefangen“ werden. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass in der frühen Phase nach der Ohrmuschel-Infektion neutrophile Zellen zu den Lymphknoten und innerhalb dieser in die Regionen mit verstärkt infizierten Zellen wandern, bei denen es sich hauptsächlich um CD169+-Makrophagen handelt. Dort bilden die neutrophilen Zellen transiente und persistente Schwärme. Des Weiteren belegt diese Arbeit, dass die Bildung der Schwärme von neutrophilen Zellen mit einem Rückgang von CD169+-Makrophagen am subkapsulären Sinus korreliert. Bei diesem Vorgang könnte es sich um einen Mechanismus handeln, der die Dissemination der Parasiten verhindern soll. Kurz nach der Rekrutierung von neutrophilen Zellen wandern auch CD8+-T-Zellen zum Infektionsherd und bilden im subkapsulären Sinus antigenspezifische Cluster mit den verbliebenen infizierten CD169+-Makrophagen. Während dieser stabilen Interaktion kommt es zur Lysis der infizierten Zellen, wobei die freigesetzten Parasiten anschließend in die nahegelegenen T-Zellen eindringen und sich somit in andere Gewebe ausbreiten. Der Parasit T. gondii hat verschiedene Strategien entwickelt, um der Immunantwort zu entgehen und sich in Organen mit limitiertem Zugang für Immunzellen, wie z.B. dem Gehirn, zu verbergen. Diese Organe benötigen daher spezielle, immunregulatorische Mechanismen, um ein Wiederaufflammen der Entzündung zu verhindern. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die CD8+-T-Zellen im Gehirn während der chronischen Phase einer Infektion nicht mit Zellen interagieren, die mit intakten Zysten infiziert sind, sondern mit Granulom-ähnlichen Strukturen, die einzelne Parasiten beherbergen oder isolierte Parasiten in unmittelbarer Nachbarschaft aufweisen. Konsistent mit einer fortwährenden Antigen-Erkennung bewegen sich die CD8+-T-Zellen innerhalb der Granulom-Strukturen langsamer und stoppen häufiger als CD8+-T-Zellen außerhalb der Granulom-Strukturen. Allerdings erfolgt diese Verlangsamung bzw. das Anhalten der CD8+-T-Zellen in den Granulom-Strukturen nicht im Zusammenspiel mit infizierten Zellen, sondern die CD8+-T-Zellen verteilen sich vielmehr gleichmäßig in der gesamten Granulom-Struktur. Das führt zu der Vermutung, dass den CD8+-T-Zellen die Antigene in diesen Granulom-Strukturen durch cross-presentation präsentiert werden. Diese Arbeit liefert Informationen darüber, wie sich Immunzellen erkennen und miteinander interagieren, und trägt so zum Verständnis über das Immunsystem und seiner Mechanismen bei, mit denen es uns vor Krankheitserregern schützt. (Zudem bringt diese Arbeit neue Erkenntnisse über die Art und Weise, auf die der Parasit T. gondii der Immunantwort entgeht.) Allerdings muss insbesondere das Verhalten anderer an der Immunantwort beteiligter Immunzellen in weiteren Studien charakterisiert werden, um ein noch umfassenderes Bild der Immunantwort auf eine T. gondii-Infektion zu erhalten.