Phänotypische und funktionelle Charakterisierung XCR1-positiver dendritischer Zellen im Darm

Abstract

Dendritische Zellen (DCs) nehmen fortwährend Selbst- und Fremdantigene in verschiedenen Geweben des Körpers auf, migrieren zu den drainierenden Lymphknoten und präsentieren dort Peptide dieser Antigene naiven T-Zellen, um dadurch deren Proliferation und Differenzierung zu induzieren. Das Lumen des Darms enthält enorme Mengen an fremden Antigenen, die von kommensalen Bakterien, Nahrungsmitteln und mitunter pathogenen Mikroorganismen stammen. Die Kreuzpräsentation von Antigen ist ein wichtiger Schritt in der Aktivierung antigenspezifischer CD8+ T-Zellen zur Induktion von Immunität gegen intrazelluläre Pathogene, aber auch zur Induktion von Toleranz gegen harmlose Antigene, wie Selbstantigene. Mit der Entdeckung, dass XCR1+ konventionelle DCs (cDCs) in der Milz in ihrer Entwicklung von dem Transkriptionsfaktor Batf3 abhängig sind, wurde ein erster Hinweis dafür erbracht, dass es sich bei XCR1 um einen linienspezifischen Marker handelt, der nur auf kreuzpräsentierenden cDCs exprimiert wird. Im Gastrointestinaltrakt erschwerte bisher das Fehlen linienspezifischer Marker das Treffen eindeutiger Aussagen über die Funktion sowie die Lokalisation einzelner cDC-Subtypen. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig durch phänotypische und funktionelle Analysen demons-triert werden, dass auch im Gastrointestinaltrakt XCR1 ein linienspezifischer Marker für kreuzpräsentierende cDCs darstellt, wodurch eine neue, konsistente Klassifikation konventioneller DCs möglich ist. So zeigten die phänotypischen Analysen erstmals, dass XCR1+ cDCs der Lamina propria (LP) des Dünndarms, der Peyerschen Plaques (PP) und der mesenterialen Lymphknoten (MLN) in ihrem Oberflächenexpressionsprofil stark XCR1+ cDCs der Milz ähneln, da sie u. a. ebenfalls CD8α, Clec9A und CADM1, jedoch kein SIRPα exprimieren. Durch die Untersuchung Batf3-defizienter Mäuse wurde des Weiteren durch die Abwesenheit XCR1+ cDCs im Gastrointestinaltrakt deutlich, dass auch intestinale XCR1+ cDCs die Expression von Batf3 für ihre Entwicklung benötigen. Auch hinsichtlich der Positionierung intestinaler XCR1+ cDCs fanden sich in der vorliegenden Arbeit Gemeinsamkeiten zu denen der Milz. So sind XCR1+ cDCs in den PP und den MLN im Bereich der T-Zellzonen lokalisiert. Über dies konnte hier erstmalig demonstriert werden, dass XCR1+ cDCs des Dünndarms ausschließlich in der LP der Zotten zu finden sind. Bezüglich der Funktion konnte belegt werden, dass migratorische XCR1+ cDCs der MLN in vivo aufgenommenes lösliches Antigen am effektivsten kreuzpräsentieren. Darüber hinaus induzierte die zielgerichtete Antigenbeladung XCR1+ cDCs eine effiziente CD8+ T-Zellzytotoxizität. Hierbei erwies sich die Antigenbeladung sowohl mit Hilfe des Antikörpers gegen XCR1 als auch mit dem Liganden XCL1 in Verbindung mit Adjuvans als hoch effektiv und spezifisch. Die hier belegte Effizienz des Systems, zusammen mit der selektiven Expression von XCR1 auf cDCs machen XCR1 zu einem idealen Ansatz für die Entwicklung neuartiger Impfstoffe.

Dendritic cells (DCs) continuously take up self or foreign antigens in various tissues, migrate to draining lymph nodes and present peptides of the antigens to naïve T cells, to induce their proliferation and differentiation. The gut lumen contains large amounts of foreign antigens, arising from commensal bacteria, food and sometimes from pathogenic microbiota as well. Antigen cross-presentation is a very important step in the activation of antigen- specific CD8+ T cells to induce immunity against intracellular pathogens but also to induce tolerance to harmless antigens like self-antigens. Discovering that XCR1+ conventional DCs (cDCs) of the spleen are Batf3-dependent in their development, allowed the assumption, that XCR1 is a lineage marker, which is only expressed on cross-presenting cDCs. In the gastro-intestinal tract, the lack of lineage markers confounded the classification of cDCs and impeded a full understanding of the function and localization of cDC subsets. The present work demonstrates for the first time by phenotypical and functional analysis, that XCR1 is also a lineage marker for cross-presenting cCDs in the gastrointestinal tract, which allows a novel and consistent classification of conventional cDCs. Thus phenotypical analysis showed for the first time, that XCR1+ cDCs of the lamina propria (LP) of the small intestine, the Peyer’s patches (PP) and the mesenteric lymph nodes (MLN) are similar in their surface expression pattern to XCR1+ cDCs of the spleen, since they express CD8α, Clec9A and CADM1 as well, but don’t express SIRPα. The analysis of Batf3-deficient mice revealed, that also intestinal XCR1+ cDCs selectively require the expression of the transcription factor Batf3 for their development. The present work also identifies similarities to splenic XCR1+ cDCs concerning the positioning of intestinal XCR1+ cDCs. XCR1+ cDCs in PP and MLN are localized in the area of the T cell zones. In addition it was possible for the first time to show, that XCR1+ cDCs of the small intestine are exclusively located in the LP of the vili. Regarding the function of XCR1+ cDCs this work demonstrates, that migratory XCR1+ cDCs of the MLN are most efficient in cross-presenting in vivo applied soluble antigen. Beyond that, targeting antigen to XCR1+ cDCs induced an efficient CD8+ T cell cytotoxicity. Targeting of antigen was both with the antibody against XCR1 and the ligand XCL1 together with adjuvant highly efficient and specific. With the hereby proven efficiency of this system, together with the selective expression of XCR1 on cDCs, XCR1 turns out to be an ideal target for the development of novel vaccines.