Bildung, Erhaltung und Funktion von humanen regulatorischen und Gedächtnis T-Zellen

Abstract

T-Zellen nehmen eine zentrale Stellung im adaptiven Immunsystem ein, da sie einerseits direkt Pathogene bekämpfen können und andererseits die Aktivitäten anderer Immunzellen regulieren. Wegen der experimentellen Schwierigkeiten werden sie aber zumeist im Maussystem erforscht, obwohl auch die Analyse humaner T-Zellen klinisch relevant ist. In dieser Habilitationsschrift sind unsere Arbeiten über verschiedene Aspekte der humanen T-Zellen zusammengefasst. Sie gliedert sich in 3 Teile: 1) Analyse der antigen- unabhängige Erhaltung von verschiedenen T-Zell Populationen mit den „homöostatischen“ Zytokinen IL-7 und IL-15. Dieser Teil umfasst 3 Originalveröffentlichungen (zwei im Journal of Experimental Medicine und eine in Blood), in denen aufgereinigte T-Zell-Populationen in vitro mit homöostatischen Zytokinen stimuliert werden, um die antigen-unabhängige Proliferation im humanen System zu untersuchen. Wir zeigten, dass CD4+ und CD8+ Gedächtnis T-Zellen mit IL-7 und IL-15 unabhängig vom T-Zell Rezeptor proliferieren können. Außerdem haben wir herausgefunden, dass zentrale Gedächtniszellen dabei ein vom Antigen vorprogrammiertes Differenzierungs- programm durchlaufen und zu Effektor Gedächtnis-ähnlichen Zellen werden. Chemokinrezeptoren identifizieren dabei CD4+ zentrale Gedächtniszellen die zur Th1 oder zur Th2 Zellen differenzieren. Auf diesen und anderen Arbeiten basierend haben wir ein Modell der Erhaltung der Gedächtniszellen vorgeschlagen, nach dem zentrale Gedächtniszellen für die Erhaltung des T-Zellgedächtnisses besonders wichtig sind, da sie durch homöostatische Proliferation nicht nur sich selbst erneuern können, sondern auch Effektor Gedächtniszellen ersetzen, die durch spontanen Zelltod sterben. 2) Die Bildung von Gedächtniszellen wird von der Stärke der Stimulierung des T-Zellrezeptors reguliert. Wie Gedächtniszellen von aktivierten T-Zellen gebildet werden, ist trotz großer wissen-schaftlicher und klinischer Relevanz nur unvollständig verstanden. In zwei Originalarbeiten, die in Nature Immunology und im European Journal of Immunology veröffentlicht wurden, haben wir untersucht wie die Stärke der Stimulierung des T-Zellrezeptors das Gedächtniszellpotenzial reguliert. Dabei haben wir den neuen Differenzierungsparameter „Fitness“ definiert: Die T-Zell Fitness beschreibt die Fähigkeit einer aktivierten T-Zelle, dem spontanen Zelltod zu entgehen und mit homöostatischen Zytokinen zu proliferieren und damit zu einer Gedächtnis T-Zelle zu werden. Wir haben gezeigt, dass CD4+ und CD8+ T-Zellen die Fitness progressiv mit der Stärke der T-Zellrezeptorstimulierung zunimmt, und nur „fitte“ Maus T-Zellen in vivo überleben und ohne Antigen expandieren. Weiter haben wir gezeigt, dass auch aktivierte T-Zellen, die den IL-7R exprimieren, unterschiedliche Fitness und Gedächtniszellpotential haben, da die Zellen zum einen relevante Gene unterschiedlich stark exprimieren und zum anderen der IL-7R unterschiedlich effizient an die PI 3 Kinasekaskade gekoppelt ist. 3) Analyse von adaptiven IL-10 produzierenden regulatorischen T- Zell Populationen. T-Zellen mit regulatorischer Funktion produzieren meist auch das inhibitorische Zytokin IL-10 und werden in natürliche „Tregs“ und in adaptive „Tr1“ Zellen eingeteilt, die durch die Expression des IL-2Rα (CD25) und des Transkriptionsfaktors Foxp3 grob unterschieden werden können. IL-10 produzierende T-Zellen können in vitro induziert werden, aber wie in vivo gebildete IL-10 produzierende Zellen im humanen System identifiziert werden können ist nicht bekannt. In einer Arbeit, die im Journal of Experimental Medicine publiziert wurde, haben wir gezeigt, dass T Helfer Zellen die weder CD25 noch den IL-7R exprimieren Tr1-ähnliche Zellen sind: Sie produzieren IL-10 und IFN-γ, aber kaum IL-2, und das von ihnen produzierte IL-10 supprimiert in vitro die T-Zellaktivierung. Diese Tr1-ähnlichen Zellen proliferieren in vivo und reagieren selektiv auf persistente Antigene, was vermuten lässt, dass es sich um chronisch aktivierte Th1 Zellen handelt. Außerdem haben wir in einer anderen Arbeit gefunden, dass nicht nur Th17 Zellen den Chemokinrezeptor CCR6 exprimieren, sondern auch autoreaktive IL-10 produzierende Gedächtniszellen (Rivino et al., J. Exp. Med. 2010). Diese CCR6+ Zellen sind aber im Gegensatz zu den Tr1-ähnlichen Zellen IL-7R+, produzieren IL-2 und sind für nicht-persistente Impfantigene spezifisch. Die IL-10 produzierenden Gedächtniszellen sind nur bei suboptimaler Stimulierung wie z.B. durch autologe dendritische Zellen suppressiv, da sie dann IL-10 aber kein IL-2 produzieren. Im Gegensatz dazu supprimieren die Tr1-ähnlichen Zellen, die nur wenig IL-2 machen können, nur bei starker Stimulierung effektiv. Es gibt im humanen Blut also zwei unterschiedliche IL-10 produzierende Populationen, die beide nicht zu der natürlichen Treg Differenzierungslinie gehören und Eigenschaften von Effektor bzw. von Gedächtniszellen haben. Es ist wahrscheinlich, dass sie unterschiedliche Funktionen haben, und dass die Tr1-ähnlichen Zellen wie in der Maus Immunpathologie inhibieren, während die Gedächtniszellen zur Selbsttoleranz beitragen könnten.

T cells play a central role in the adaptive immune cells, since on the one hand they can fight pathogens directly and on the other hand they regulate the activity of other immune cells. Given the experimental limitations in studying the human immune system, T cells are normally analysed in the mouse system. Nevertheless, human T cell biology is clinically relevant. In this Habilitation text our work on different aspects of human T cells is summerised. The text comprises 3 different sections: 1) Analysis of the antigen-independent maintenance of different T cell populations by homeostatic Cytokines IL-7 and IL-15. 2) Generation of memory T cells is regulated by the strength of TCR stimulation. 3) Analysis of adaptive, IL-10 producing regulatory T cell populations.