The role of plasmacytoid dendritic cells in immune responses to influenza virus infection

Abstract

Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) have been implicated as regulators of infectious diseases, autoimmune disorders and cancer. pDCs can promote immune responses against viral infections leading to viral clearance and resolution of infection. However, pDCs may also support chronic inflammatory diseases, and interfere with anti-tumor activity. The capability of activated pDCs to produce large amounts of type I interferons and other proinflammatory mediators is thought to be responsible for their actions. Many questions concerning the precise contributions of pDCs to disease have remained unanswered, as their unequivocal identification in vivo requires several phenotypic markers. In the present study, we have made use of a novel mouse strain, DPEGFP, in which pDCs are transgenically modified to express the green fluorescent protein (GFP). The GFP-tag enables their identification and purification ex vivo at levels that had not been achieved in the past. In the first chapter, we investigated how differential activation of pDCs by TLR ligands modulates their functions. In the second chapter, we determined the migratory behavior of pDCs to sites of inflammation. In the third chapter, we assessed the role of pDCs in the immune response against influenza virus infection. In order to address the first question, we studied the effects of two model ligands, influenza virus A/PR/8 and CpG 1826 oligonucleotide, on the phenotype and the functions of pDCs. Upon activation, pDCs differentiated into two distinct subsets, one that produced large amounts of type I interferons after treatment with PR/8 virus, while the other one induced by CpG 1826 was characterized by higher levels of costimulatory molecules and pro-inflammatory cytokines and chemokines. Microarray analysis and investigation of intracellular signaling pathways allowed for the discovery of a distinct activation program that helps to understand pDCs versatile functions in antimicrobial defense and inflammation. In the second chapter, we extended previous observations that pDCs express a distinct panel of adhesion molecules and chemokine receptors. In homing assays we demonstrated that blood-borne pDCs can enter various tissues, including lymphoid and peripheral organs. In a peritonitis model, we found that pDCs preferentially accumulate at sites of inflammation. Finally, we deciphered the molecules involved in pDC migration into the inflamed peritoneum. In the final study, we asked whether the absence of pDCs alters immune responses to infection with influenza virus A/PR/8. Surprisingly, we found that IkarosL/L mice, which lack peripheral pDCs, appeared to have a similar course of disease and viral clearance, as well as comparable levels of neutralizing antibodies. However, we observed a delayed recruitment of T cells into infected airways, which could be overcome by reconstitution of IkarosL/L mice with wild-type pDCs. We showed that activation and differentiation of effector/memory CD8+ T cells was not impaired in IkarosL/L mice. In conclusion, this study provides novel insights into the functional and migratory properties of pDCs, and suggests that pDCs are dispensable for the resolution of primary influenza virus infections.

Plasmazytoiden dendritischen Zellen (pDCs) wird eine regulatorische Rolle in Infektionskrankheiten, Autoimmunerkrankungen und in der Tumorabwehr zugeschrieben. Einerseits können pDCs immunantwort-fördernde Effekte, wie z.B. in Viruserkrankungen, ausüben, die für die Verteidigung vorteilhaft sind und die Eindämmung von Infektionen unterstützen. Andererseits können bestimmte Funktionen von pDCs schädlich für den Organismus sein, wenn sie chronische Entzündungen induzieren oder die Tumorabwehr verhindern. Aufgrund ihres komplexen Phänotypes ist die Identifizierung der pDCs in vivo jedoch schwierig. Wir haben in unserem Projekt einen neuen Mausstamm verwendet, DPEGFP, in dem pDCs genetisch verändert wurden, um das grün-fluoreszierende Protein (GFP) zu exprimieren. Diese Markierung erleichterte die Identifizierung und Isolierung von pDCs ex vivo. Im Rahmen des ersten Kapitels studierten wir die Effekte von zwei Modell-Liganden, Grippevirus (influenza virus) A/PR/8 und CpG 1826 Oligonukleotide, auf den Phänotyp und die Funktionen von pDCs. Globale Genexpressionsanalyse und die Untersuchung der intrazellulären Signalwege bildeten die Grundlage für die Entdeckung, dass aktivierte pDCs in zwei unterschiedliche Sub-Populationen differenzieren können. Eine Population wurde nach Stimulierung mit dem Virus erzeugt und produzierte große Mengen an Typ I Interferon. Aktivierung mit CpG 1826 induzierte eine zweite Population, die zahlreiche kostimulierende Moleküle exprimierte und eine Vielfalt an entzündungsfördernden Zytokinen und Chemokinen sezernierte. Diese Ergebnisse bieten einen hilfreichen Ansatzpunkt für die Entschlüsselung der vielseitigen Funktionen von pDCs, insbesondere in der Verteidigung gegen Krankheitserreger und in Entzündungsvorgängen. Ausgehend von den Beobachtungen, dass pDCs ein bestimmtes Muster an Adhäsionsmolekülen und Chemokinrezeptoren exprimieren und in entzündete Gewebe von Patienten mit rheumatischer Arthrose, Lupus und Psoriasis rekruitiert werden, untersuchten wir im zweiten Kapitel die Migrationseigenschaften von pDCs. In Homing assays konten wir zeigen, dass im Blut zirkulierende pDCs in fast alle Organe in geringer Zahl einwandern können. In einem Entzündungsmodell der Bauchhöhle (Peritonitis) stellten wir eine selektive Akkumulation von pDCs fest, die durch Blockade von Selektinen vermindert werden konnte. In dem dritten Teil der Studie untersuchten wir, ob das Fehlen von pDCs zu einer veränderten Immunantwort gegen Grippevirusinfektionen führt. Überraschenderweise beobachteten wir, daß IkarosL/L Mäuse, denen pDCs in der Peripherie fehlen, einen normalen Krankheitsverlauf haben. Desweiteren war die Beseitigung der Viren und die Titer von neutralisierenden Antikörpern im Serum von IkarosL/L Mäusen normal. Wir beobachteten jedoch eine verzögerte Rekrutierung von T Zellen in die infizierten Atemwege von IkarosL/L Mäusen, die durch Rekonstitution mit pDCs überwunden werden konnte. Wir konnten zeigen, daß die CD8+ T Zell-Aktivierung und die Differenzierung in Effektor-/Gedächtniszellen in IkarosL/L Mäusen normal verlief. Unsere Daten deuten an, daß pDCs für die Immunantwort gegen eine primäre Grippeinfektion entbehrlich sind. Diese Studie gibt einen wertvollen Einblick in die phänotypischen and funktionellen Eigenschaften von pDCs und deckt eine möglicherweise überbewertete Rolle dieser Zellen in der Verteidigung gegen Grippevirusinfektionen auf.