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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-83656
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8365/


Analysis of the role of IL-10 signaling for TR1 cell differentiation, stability and function

Analyse der Rolle von IL-10 für die Differenzierung, Stabilität und Funktion von TR1 Zellen

Brockmann, Leonie

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SWD-Schlagwörter: Immunologie , Lymphozyt
Freie Schlagwörter (Deutsch): regulatorische T Zelle , Interleukin-10
Freie Schlagwörter (Englisch): T cells , regulatory T cells
Basisklassifikation: 42.15
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lohr, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.10.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 01.03.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Chronisch-entzündliche Krankheiten und Autoimmunerkrankungen, ebenso wie Allergien, stellen ein zunehmendes gesundheitliches Problem für die Bevölkerung in Industrieländern dar. Die Störung der Immunhomöostase durch eine Immunantwort gegen Autoantigene und Allergene wird sehr wahrscheinlich durch eine Fehlregulation von CD4+ T-Zellen verursacht. Es kann dabei zu einer Überreaktion von Effektor-T-Zellen, wie TH1 und TH17 Zellen, oder zu einer Fehlfunktion von regulatorischen T-Zellen, wie Foxp3+ Treg Zellen und Typ 1 regulatorischen T-Zellen (TR1), kommen. Der adoptive Zell-Transfer von regulatorischen T-Zellen stellt hierbei einen neuen Ansatz dar, solche Krankheiten zu therapieren. Erste klinische Studien zeigen bereits positive Ergebnisse für den behandelten Patienten. Regulatorische T-Zellen, sowohl Foxp3+ Treg Zellen als auch TR1 Zellen, besitzen das Potential durch die Freisetzung des anti-inflammatorischen Zytokins IL-10 die periphere Toleranz wieder herzustellen. Allerdings ist für die Sicherheit und den Erfolg einer solchen Therapie, die Stabilität und Funktion der transferierten Zellen entscheidend. Erkenntnisse, nach welchen Foxp3+ Treg Zellen in pathogene Effektor-T-Zellen konvertieren können und somit den Krankheitsverlauf begünstigen könnten, haben die Verwendung von diesen Zellen als T-Zell-basierte Therapie in Frage gestellt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung Signalwege und Mechanismen zu identifizieren, welche die Stabilität und Funktionalität von regulatorischen T-Zellen erhalten. Vor allem das Wissen bezüglich TR1 Zellen ist sehr kontrovers. IL-10 wurde als das entscheidende Zytokin für die TR1 Differenzierung angesehen. Jedoch wurde in weiteren Studien gezeigt, dass TR1 Zellen in der Abwesenheit von IL-10 in vivo entstehen können. Ferner sind Signalwege, welche die TR1 Zellstabilität erhalten weitestgehend unbekannt. Doch konnte in Foxp3+ Treg Zellen gezeigt werden, dass der IL-10 Signalweg die Produktion von IL-10 erhalten kann. Daher war ein Ziel dieser Arbeit die Rolle von IL-10 für TR1 Differenzierung und Stabilität zu untersuchen. Hierzu wurde ein transgenes Mausmodell verwendet, in dem CD4+ T-Zellen einen blockierten IL-10 Signalweg aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass IL-10 nicht notwendig für die TR1 Differenzierung in vivo, jedoch essentiell zur Erhaltung der regulatorischen Funktion der Zellen ist. Die Funktionalität der regulatorischen Zellen wurde in einem Kolitis-Mausmodell getestet, welches der Anwendung von TR1 Zellen in Patienten mit einem schweren Verlauf von Morbus Crohn ähnlich ist. Auf mechanistischer Ebene konnte gezeigt werden, dass p38 MAP Kinase entscheidend ist, um als Antwort auf IL-10 die Produktion von IL-10 in TR1 Zellen zu erhalten. Diese Erkenntnisse konnten ebenfalls in humanen TR1 Zellen bestätigt werden. Auch wenn TR1 Zellen in der Abwesenheit von IL-10 ihre regulatorische Kapazität verlieren, so weisen doch Ergebnisse aus einem Mausmodell für GvHD darauf hin, dass TR1 Zellen dennoch nicht in pathogene Zellen konvertieren. Diese Ergebnisse bekräftigen die Hinweise, dass TR1 Zellen sicher sind für eine T-Zell-basierte Therapie in Menschen, jedoch könnte der Erfolg dieser Therapie an die Anwesenheit von IL-10 gekoppelt sein.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung stark suppressiver TR1 Zellen anhand von den Oberflächenmarkern CD49b und LAG-3 aus dem sehr heterogenen Pool an IL-10 produzierenden CD4+ T-Zellen. Die Verwendung von Oberflächenmolekülen zur Identifikation von regulatorischen T-Zellen wie TR1 Zellen ermöglicht die Isolation von vitalen Zellen, welche therapeutische Anwendungen finden können und stellt somit eine deutliche Verbesserung dar gegenüber der Notwendigkeit die Zytokinproduktion der Zellen zu bestimmen. Tatsächlich konnten LAG-3+ CD49b+ IL-10 produzierende T-Zellen als regulatorische T-Zellen mit einer starken suppressiven Kapazität und einem ausgeprägten regulatorischen Phänotyp identifiziert werden. Diese Ergebnisse bestätigen die Effektivität von LAG-3 und CD49b als TR1 Zell-Marker, jedoch müssen diese Daten in zukünftigen Versuchen noch in humanen TR1 Zellen bestätigt werden.
Kurzfassung auf Englisch: Chronic inflammatory and autoimmune diseases, as well as allergies, are continuously increasing threats, especially in developed countries. The disruption of the immune homeostasis in response to self- or non-pathogenic foreign-antigens is likely to be caused by false regulation of CD4+ T cells. This dysbalance can either be caused by an overreaction of effector T cells such as TH1 and TH17 cells, or by a dysfunction of regulatory T cells, such as Foxp3+ Treg cells or type one regulatory T cells (TR1 cells). Accordingly, adoptive transfer of regulatory T cells could potentially play a significant role in new therapies for these diseases. Indeed, initial clinical trials have already shown promising results. Regulatory T cells, both Foxp3+ Treg cells and TR1 cells, have the potential to re-introduce peripheral tolerance by releasing the anti-inflammatory cytokine IL-10. However, cell stability and therefore function of regulatory T cells is of great importance for the safety and success of a regulatory T cell-based therapy. Noteworthy, regulatory T cell therapies based on Foxp3+ Treg cells have been recently challenged by studies in mouse models, which showed that some of these cells can indeed convert into pathogenic T cells and favor inflammatory diseases, rather than block them. Thus, signals and mechanisms that sustain the functional stability of regulatory T cells have to be intensively studied. TR1 cell biology is still controversially discussed. IL-10 was (long) considered to be the driving cytokine for TR1 cell differentiation, but recent studies showed that TR1 cells can emerge in the complete absence of IL-10. Signals that maintain the stability of TR1 cells still remain unknown. Nevertheless it has been shown that IL-10 signaling could sustain IL-10 production and in turn functional stability in Foxp3+ Treg cells. Therefore, one aim of this thesis is to characterize the role of IL-10 for TR1 cell differentiation, stability and function. To address this question we used murine models of intestinal inflammation and transgenic mice, which allowed us to analyze the role of IL-10 signaling in Tr1 cells. The use of a transgenic mouse model in which CD4+ T cells display a specific blockade of IL-10 signaling revealed that IL-10 was not essential for TR1 cell differentiation in vivo. But IL-10 signaling was crucial to maintain the regulatory function of TR1 cells in a colitis model that resembles the use of TR1 cells as T cell-based therapy for severe Crohn’s disease in humans. Mechanistically, p38 MAP kinase was identified to be activated downstream of IL-10 receptor signaling in TR1 cells, thereby furthermore sustaining their IL-10 production. These findings were also confirmed using mature human TR1 cells. Importantly, data obtained in a mouse model of GvHD also indicate that even if TR1 cells lose their regulatory activity in the absence of IL-10 signaling, they still do not promote disease. This suggests that TR1 cell–based therapies in humans would be safe.
Additionally, a second aim of this thesis is to identify highly suppressive TR1 cells among the heterogeneous IL-10 producing CD4+ T cell subset based on the use of two surface markers, CD49b and LAG-3. The use of surface markers to identify regulatory T cells, such as TR1 cells, allows the identification and isolation of viable cells that could be used as T cell therapy to treat chronic inflammatory conditions and autoimmunity in human. Indeed, IL-10 producing CD49b+ LAG-3+ T cells could be identified to display the strongest suppressive capacity and regulatory phenotype compared to those that do not express CD49b and LAG-3. These findings support the efficiency of these two markers to identify TR1 cells. Nevertheless, further experiments are required to analyze additional regulatory T cell markers and to confirm these findings in human TR1 cells.

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