CD4+ T cells differentiate into diverse cell lineages with distinct effector functions, based on their produced signature cytokines. Previous studies have reported that T helper (Th) cell subsets can adopt characteristics of two opposing T cell differentiation programs, resulting in a mixed so-called “hybrid” phenotype. It was shown that mice develop Th2/1 hybrid cells, co-expressing the Th2 and Th1 lineage-specifying transcription factors GATA-3+ and T-bet+ and Th2 cytokines together with IFN-γ+ in response to Th2-polarizing worm infections. This Th2/1 phenotype was stably maintained for months and caused lower immunopathology in murine models of type-1 and type-2 inflammation compared to conventional Th1 and Th2 cells. Type-2 immune responses are essential for protective immunity against parasitic worm infections, but also play a pathologic role in promoting acute and chronic inflammation. Based on these data, the first aim of this work was to detect and phenotypically characterize Th2 and Th2/1 cells in threadworm infections. Therefore, organs of mice and peripheral blood samples of Indian patients infected with threadworms were analyzed using flow cytometry. The second aim was to prove the existence of the hybrid phenotype in the non-parasitic, Th2-mediated inflammatory skin disorder atopic dermatitis (AD). Blood samples of European patients with AD were analyzed for the occurrence of Th2/1 cells alongside pro-inflammatory Th2 and Th22 cell subsets and regulatory Foxp3+ T cells, surveying whether the proportions of Th2/1 hybrid cells were linked to distinct manifestations of the disease. Furthermore, the effector function of human hybrid cells was examined in 3D skin equivalents mimicking the hallmarks of AD. This work demonstrates that the induction of Th2/1 cells in parasitic worm infections can be generalized to murine threadworm infections. While neither the time point of infection nor the parasite burden had a significant impact on hybrid frequencies, Th2/1 cell levels differed depending on the examined organ. This work shows for the first time that also the human peripheral CD4+ T cell pool comprises Th2/1 hybrid cells co-expressing Th2 and Th1 markers. A comparative analysis between the murine and human Th2/1 phenotype revealed similar (e.g. the lower Th2 cytokine production by Th2/1 compared to Th2 cells) but also species-specific differences (such as the stronger IFN-γ production by human Th2/1 cells). Moreover, the analysis of patients with AD demonstrated that the majority of circulating Th2/1 cells lacked the skin-homing marker CLA. In contrast, especially in severe AD patients, pro-inflammatory Th2 and Th22 subsets were enriched in the skin-homing CLA+ subpopulation. Finally, co-cultures of in vitro generated Th2 or Th2/1 cells with skin models mimicking the hallmarks of AD suggest that the Th2/1 hybrid phenotype is a poor inducer of skin inflammation. In conclusion, the CD4+ T cell pool of mice and humans comprises Th2/1 cells displaying species-specific features, but most likely sharing a poor capacity for supporting Th2-associated inflammatory reactions. Future investigations will show whether Th2/1 cells ‘passively’ regulate Th2 responses due to their lower Th2 cytokine expression or actively cross-regulate an overt Th2 bias by e.g. the expression of IFN-γ and thus, whether Th2/1 cells can be used as a therapeutic tool in Th2 driven diseases.
CD4+ T-Zellen lassen sich in verschiedene Subpopulationen unterteilen, die aufgrund ihrer produzierten Zytokine unterschiedliche Effektorfunktionen erfüllen. Frühere Studien haben gezeigt, dass einige Populationen von T-Helferzellen (Th) Eigenschaften zweier gegensätzlicher Differenzierungsprogramme aufweisen und damit einen gemischten, so genannten „Hybrid“-Phänotyp darstellen. Mäuse entwickelten als Teil der Immunantwort auf Th2-polarisierende Wurminfektionen Th2/1-Hybridzellen, welche die Th2- und Th1-Linien-spezifischen Transkriptionsfaktoren GATA-3 sowie T-bet co-exprimieren. Dies ermöglicht den Th2/1-Zellen die Co-Produktion von Th2-(IL-4/-5/-13) und Th1-Zytokinen (IFN-γ). Dieser Th2/1-Phänotyp blieb über Monate hinweg stabil und löste im Vergleich zu konventionellen Th2- und Th1-Zellen eine geringere Immunpathologie in murinen Typ-1 und Typ-2-Entzündungsmodellen aus. Basierend auf diesen Daten war das erste Ziel dieser Arbeit Th2- und Th2/1- Zellen am Beispiel von Zwergfadenwurminfektionen (Strongyloidiasis) zu detektieren und phänotypisch zu charakterisieren. Dafür wurden T-Zellen aus Organen von Mäusen und periphere Blutproben indischer Patienten, die mit Zwergfadenwürmern infiziert waren, mittels durchflußzytometrischer Analysen untersucht. Das zweite Ziel war die Existenz des hybriden Phänotyps bei einer nicht-parasitären Th2-vermittelten entzündlichen Hauterkrankung, der atopischen Dermatitis (AD), nachzuweisen. Hierfür wurden Blutproben europäischer AD-Patienten hinsichtlich Th2/1-Zellen untersucht und überprüft, ob deren Zellfrequenzen mit der Schwere der Erkrankung assoziiert sind. Zusätzlich wurden die pro-inflammatorischen Th2- sowie Th22-Populationen und regulatorische Foxp3+ T-Zellen untersucht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurden die Effektorfunktionen humaner Th2/1-Zellen in einem 3D-Hautmodell für AD analysiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Bildung von Th2/1-Zellen in Mäusen ebenfalls durch Fadenwürmer induziert wird. Dabei hatten weder der Untersuchungszeitpunkt noch Unterschiede in der Parasitenlast einen Einfluss auf die Th2/1-Zellfrequenzen. Die untersuchten Organe unterschieden sich jedoch deutlich im Th2/1-Hybridanteil. Darüber hinaus konnten in dieser Arbeit erstmalig humane Th2/1-Zellen nachgewiesen werden, die ähnlich wie murine Hybride Th2- und Th1-Zytokine co-exprimieren. Eine vergleichende Analyse des murinen und humanen Th2/1-Phänotyps zeigte Ähnlichkeiten, wie die gegenüber Th2-Zellen verminderte Th2-Zytokinproduktion. Es wurden aber auch artspezifische Unterschiede, wie die stärkere IFN-γ Produktion durch humane Th2/1-Zellen, festgestellt. Die Analyse von Blutproben atopischer Patienten ergab, dass der Mehrheit der zirkulierenden Th2/1-Zellen der Rezeptor CLA fehlt, der für das Einwandern in die Haut benötigt wird. Somit stellt der Großteil der Th2/1-Zellen in AD-Patienten vermutlich keine hautinfiltrierende Zellpopulation dar. Im Gegensatz dazu waren pro-inflammatorische Th2- und Th22-Zellen vor allem in Patienten mit stark ausgeprägter AD in der hautinfiltrierenden CLA+ Population angereichert. Schließlich legen Co-Kulturen von in vitro generierten Th2- und Th2/1-Zelllinien mit AD-Hautmodellen nahe, dass der Th2/1-Phänotyp nur schwache Entzündungsreaktionen in der Haut induziert. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass der murine und humane T-Helferzellpool Th2/1-Hybridzellen umfasst. Diese Zellpopulation unterscheidet sich zwischen Maus und Mensch in bestimmten Merkmalen, scheint jedoch in beiden Spezies die Vermittlung von Th2-Zytokinvermittelten Entzündungsreaktionen zu beeinträchtigen. Zukünftige Untersuchungen werden aufdecken, ob Th2/1-Zellen aufgrund ihrer geringeren Th2-Zytokin-Expression Th2-Antworten passiv abmildern oder aber aktiv durch die Produktion von IFN-γ gegenregulieren und ob Th2/1-Zellen damit potenzielle therapeutische Werkzeuge bei Th2-getriebenen Erkrankungen darstellen.
