The interrelation of maternal microchimerism, immunity and tissue homeostasis.

Abstract

During pregnancy maternal cells are transferred across the placenta to the fetus and seed into fetal organs. These cells are referred to as maternal microchimeric cells (MMc) and have the potential to persist in the offspring for decades. MMc reflect the cellular heterogeneity of the mother and thus encompass a large fraction of leukocytes, among which T cells are highly abundant. In the first part of this thesis, I addressed the hypothesis, that the mother transfers antigen-specific T cells to the fetus, which might protect the offspring from infection. To test this, I preconceptually infected female mice with ovalbumin (OVA) recombinant L. monocytogenens leading to the formation of OVA-specific effector memory T cells. During pregnancy, OVA-specific T cells are transferred in-utero and colonize the fetal bone marrow, spleen and liver. The transfer of OVA-specific T cells is associated with a higher robustness of neonates born to preconceptually infected mothers against infection and an activated phenotype of neonatal T cells compared to controls. Using a mouse model, this work provides first evidence that MMc have the potential to transfer memory between generations. Besides their antigen-specificity, MMc exert a variety of functions within the developing fetus. As recently shown, MMc contribute to brain development by limiting microglia activity and thereby the excessive pruning of neurons in the murine prefrontal cortex. By preparing ex vivo brain section of neonatal mice deprived of MMc, I investigated the effects of MMc depletion on the tissue-homeostasis using Fourier Transform Infrared Microspectroscopy. A lack of MMc altered the local tissue microenvironment of the prefrontal cortex leading to a higher abundance of functional groups attributed to carbohydrates typically found in nucleic acids. Increased phagocytosis by microglia cells might damage neurons, resulting in the release of nucleic acids and subsequent inflammation of the tissue. My experiment serves as a proof-of-concept study highlighting the relevance of MMc for tissue homeostasis. Despite the recent progress in understanding the relevance of MMc for the development of the fetus and the neonate, little is known regarding the transfer of MMc and the specific role of the placenta as central barrier at the maternofetal interface. The third part of my dissertation addresses this knowledge gap by investigating placenta-derived extracellular vesicles (EV) as fingerprints of the placental tissue. Placenta-derived EV were isolated from third trimester serum samples derived from healthy pregnant women and women that were infected with SARS-CoV-2 during pregnancy. Using imaging flow cytometry, overall numbers of EV as well as the percentage of placenta-derived EV were quantified. Their excessive production in SARS-CoV-2 infected women indicated an activation of the placental tissue as a consequence of infection. Percentages of placenta-derived EV derived from healthy pregnant were shown to positively correlate with the number of MMc found in the cord blood of the respective women. This correlation was reversed in SARS-CoV-2 infected women. After enrichment of placenta-derived EV from healthy pregnant participants, proteomic analysis revealed a unique fingerprint of samples derived from mothers that transfer no or very low numbers of MMc, which was absent in mothers transferring high numbers of MMc to their offspring. In-depth analyses indicate a senescence-like phenotype of the placental tissue that might impair MMc transfer. This thesis provides first evidence that placenta-derived EV can be used as indicators of the placental transfer capacity during an ongoing pregnancy.

Während einer Schwangerschaft treten mütterliche Zellen über die Plazenta in den Fetus über und reichern sich in den fetalen Organen an. Diese Zellen werden als mütterliche mikrochimärische Zellen (MMc) bezeichnet und haben das Potenzial, für Jahre in den Nachkommen zu verbleiben. MMc spiegeln die zelluläre Heterogenität der Mutter wieder und umfassen somit auch Leukozyten, die sich wiederum zu großen Teilen aus T-Zellen zusammensetzen. Der erste Teil meiner Doktorarbeit widmet sich daher der Hypothese, dass die Mutter Antigen-spezifische T-Zellen auf den Fetus überträgt, die wiederum das Potenzial besitzen, Nachkommen vor Infektionen zu schützen. Weibliche Mäuse wurden vor Beginn der Schwangerschaft mit Ovalbumin (OVA)-rekombinanten L. monocytogenes infiziert, was zur Bildung von OVA-spezifischen Effektor-Gedächtnis-T-Zellen führt. Während der Schwangerschaft treten diese Zellen in-utero auf den Fetus über, wo sie im Knochenmark, der Milz und der Leber nachgewiesen werden konnten. Der Transfer dieser Zellen war mit einer erhöhten Fitness der Neonaten gegenüber Infektionen und einem aktivierten Phänotyp der neonatalen T Zellen assoziiert. Der Transfer von MMc im Mausmodel umfasst somit auch den Transfer eines immunologischen Gedächtnisses von der Mutter auf die Nachkommen. Neben ihrer Antigen-Spezifizität übernehmen MMc weitere Funktionen innerhalb des sich entwickelnden Fetus. Wie kürzlich gezeigt wurde, tragen MMc zur Entwicklung des Gehirns bei, indem sie die Aktivität von Mikrogliazellen und damit den übermäßigen Untergang von Neuronen im Präfrontalen Cortex begrenzen. Unter Nutzung von ex-vivo-Gehirnschnitten neonataler Mäuse, die eine stark verminderte Population an MMc aufweisen, wurde die Auswirkung des Fehlens von MMc auf die Gewebehomöostase mittels Fourier-Transformations-Infrarot-Mikrospektroskopie untersucht. Das Fehlen von MMc im präfrontalen Cortex beeinflusste das lokale Gewebe, was zu einer höheren Abundanz von funktionellen Gruppen führte, die Zuckerstrukturen zugeordnet werden, wie sie typischerweise in Nukleinsäuren vorkommen. Die Freisetzung von Nukleinsäuren könnte eine Folge der verstärkten Phagozytose durch Mikrogliazellen und ein Indikator für eine lokale Entzündung des Gewebes darstellen. Mein Experiment dient somit als Proof-of-Concept-Studie, die die Bedeutung von MMc für ihr umliegendes Gewebe unterstreicht. Trotz der Fortschritte im Verständnis der funktionalen Bedeutung von MMc für die Entwicklung des Fetus und des Neugeborenen ist wenig über die eigentliche Übertragung von MMc bekannt und welche Rolle dabei der Plazenta als zentrale Schnittstelle zwischen Mutter und Fetus zukommt. Der dritte Teil meiner Dissertation adressiert diese Wissenslücke durch die Untersuchung von Plazenta-spezifischen Extrazellulären Vesikeln (EV), die von der Plazenta in die mütterliche Blutbahn freigesetzt werden. Plazenta-spezifische EV wurden aus Serumproben des dritten Trimesters isoliert, die sowohl von gesunden schwangeren Frauen, als auch von Frauen stammen, die während der Schwangerschaft mit SARS-CoV-2 infiziert waren. Mit Hilfe der bildgebenden Durchflusszytometrie wurde die Zahl der EV sowie der Prozentsatz der Plazenta-spezifischen EV quantifiziert. Ihre übermäßige Produktion bei SARS-CoV-2-infizierten Frauen deutete dabei auf eine Aktivierung des Plazentagewebes als Folge der Infektion hin. Es zeigte sich, dass der prozentuale Anteil der aus der Plazenta stammenden EV von gesunden Schwangeren positiv mit der Anzahl der im Nabelschnurblut der jeweiligen Frauen gefundenen MMc korrelierte. Keine solche positive Korrelation konnte bei SARS-CoV-2-infizierten Frauen beobachtet werden. Nach Anreicherung der Plazenta-spezifischen EV von gesunden schwangeren Frauen, ergab die Analyse des Proteoms einen einzigartigen Fingerabdruck solcher Proben, die von Müttern stammten, die keine oder nur eine sehr geringe Anzahl von MMc übertragen. Ein solch charakteristischer Fingerabdruck konnte jedoch nicht bei Müttern festgestellt werden, die eine hohe Anzahl von MMc auf ihre Nachkommen übertragen. Eine tiefergehende Analyse des Proteoms deutete auf einen Seneszenz-ähnlichen Phänotyp des Plazentagewebes hin, der die MMc-Übertragung beeinträchtigen könnte. Diese Arbeit zeigt, dass Plazenta-spezifische EV als Indikatoren für die Transferkapazität der Plazenta im Zuge einer laufenden Schwangerschaft genutzt werden können.