Host factors and T cell responses in congenital cytomegalovirus infection and T cell diagnostics in SARS-CoV-2

Abstract

Viral infections remain a significant cause of morbidity and mortality worldwide. Of these, congenital infection with human cytomegalovirus (HCMV) is the leading non-genetic cause of long-lasting disabilities in newborns. However, the precise mechanisms underlying increased susceptibility to congenital HCMV infection and disease are unclear. While mouse models are the most used to study virus-host interactions, the murine cytomegalovirus (MCMV) is not able to cross the materno-fetal barrier and infect the fetus, and the mechanisms of fetal protection are incompletely understood. This thesis aimed to decipher cellular mechanisms at the materno-fetal barrier that prevent the fetus from being infected with MCMV. Primary placental cells and placenta trophoblast cell lines exhibited low susceptibility to infection with MCMV. This was associated with a low expression of the host factor neuropilin-1, and artificial expression of this protein increased cell susceptibility to infection. These results suggest a new mechanism of protection where cells that form the murine materno-fetal barrier exhibit low susceptibility to MCMV infection, resulting in protection of the fetus from vertical infection in utero. T cells are important in clearing CMV infections, but their role in congenital CMV disease is unclear. In a mouse model of congenital disease, neonates exhibited a delayed expansion of MCMV-specific T cells which was associated with a low number of T cells in early life. Adoptive transfer of polyclonal or antigen-specific T cells into neonates were not protective due to a deficient CD8 T cell differentiation into cytotoxic phenotypes. This deficiency was associated with lower concentrations of gamma-chain cytokines critical for priming and maintenance of cytotoxic CD8 T cells. In a clinical cohort of HCMV-exposed newborns, low frequencies of highly cytotoxic CD8 T cell subsets were detected, in line with the increased susceptibility to HCMV disease in early life. In summary, deficient priming of CD8 T cells in congenital CMV infection can contribute to increased disease susceptibility. Virus-specific T cell responses are generated upon viral infections, but their diagnostic potential is under-recognized. With the advent of the SARS-CoV-2 pandemic, this thesis aimed to establish cell-mediated immunity (CMI) tests that identify previous SARS-CoV-2 infections. A total of 522 individuals were enrolled in the early phases of the pandemic and, using a certified chemiluminescence immunoassay, interferon-gamma release into supernatants was measured after T cell stimulations with spike and nucleocapsid peptide pools. Test performances were calculated applying cutoff values with the highest Youden indices and compared to a commercially available serologic test. CMI tests performed similarly to a commercially available SARS-CoV-2 antibody test and were less affected by confounding effects such as time from positive PCR result, diabetes and dyslipidemia. In conclusion, CMI tests are simple, cost-effective tests that accurately identify adaptive T cell immunity in SARS-CoV-2 convalescent individuals.

Virusinfektionen sind weltweit nach wie vor eine wichtige Ursache für Morbidität und Mortalität. Die kongenitale Infektion mit dem humanen Cytomegalovirus ist die häufigste nicht-genetische Ursache für bleibende Schäden bei Neugeborenen. Die genauen Mechanismen, die einer erhöhten Anfälligkeit für HCMV-Infektionen und -Erkrankungen im frühen Leben zugrunde liegen, sind jedoch noch unklar. Das murine Cytomegalovirus (MCMV) kann nicht die materno-fetale Barriere überwinden und den Fötus infizieren, und die Mechanismen des fötalen Schutzes sind nur unvollständig bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die zellulären Mechanismen an der materno-fetalen Barriere zu identifizieren, die eine Infektion des Feten mit MCMV verhindern. Primäre Plazentazellen und plazentare Trophoblastenzelllinien zeigten eine geringe Empfänglichkeit gegenüber einer Infektion mit MCMV. Dies war mit einer geringen Expression des Wirtsfaktors Neuropilin-1 verbunden, und die artifizielle Expression dieses Proteins erhöhte die Empfänglichkeit der Zellen. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Zellen, die die materno-fetale Barriere der Maus bilden, protektive Eigenschaften gegen eine MCMV-Infektion aufweisen und den Fötus vor einer vertikalen Übertragung in utero schützen. T-Zellen spielen eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von CMV-Infektionen, aber ihre Rolle bei kongenitalen CMV-Erkrankungen ist unklar. In einem Mausmodell der kongenitalen Infektion zeigten Neugeborene eine verzögerte Expansion MCMV-spezifischer T-Zellen, was mit einer niedrigen Anzahl von T-Zellen in der frühen Lebensphase zusammenhing. Der adoptive Transfer von polyklonalen oder antigenspezifischen T-Zellen hatte keinen schützenden Effekt, da die CD8-T-Zellen nicht in zytotoxische Phänotypen differenzierten. Dieser Defekt war mit niedrigeren Konzentrationen von Gamma-Ketten-Cytokinen verbunden, die für das Priming zytotoxischer CD8-T-Zellen essentiell sind. In einer klinischen Kohorte von HCMV-exponierten Neugeborenen wurde eine geringe Frequenz hochzytotoxischer CD8 T-Zell-Subpopulationen festgestellt, was mit der erhöhten Anfälligkeit für HCMV-Erkrankungen im frühen Leben übereinstimmt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein unzureichendes Priming von CD8-T-Zellen während der kongenitalen CMV-Infektion zu einer erhöhten Krankheitsanfälligkeit beiträgt. Virusspezifische T-Zell-Antworten werden bei Virusinfektionen erzeugt, aber ihr diagnostisches Potenzial ist noch nicht ausreichend erkannt. Mit dem Ausbruch der SARS-CoV-2-Pandemie zielte diese Arbeit darauf ab, zellvermittelte Immunitätstests (CMI) zur Identifizierung früher SARS-CoV-2-Infektionen zu etablieren. Insgesamt wurden 522 Personen in den frühen Phasen der Pandemie rekrutiert, um die Interferon-gamma-Freisetzung in Überständen nach T-Zell-Stimulation mit Spike- und Nukleokapsid-Peptid-Pools mit einem zertifizierten Chemilumineszenz-Immunoassay zu messen. Die Testleistung wurde unter Verwendung der Schwellenwerte mit den höchsten Youden-Indizes berechnet und mit einem kommerziell erhältlichen serologischen Test verglichen. Diese CMI-Tests zeigten vergleichbare Ergebnisse wie die kommerziell erhältlichen SARS-CoV-2-Antikörpertests und wurden weniger durch Störfaktoren wie die Zeit nach einem positiven PCR-Ergebnis, Diabetes und Dyslipidämie beeinflusst. Zusammenfassendkann gesagt werden, dass CMI-Tests praktikable, kostengünstige Tests sind, die die adaptive T-Zell-Immunität bei rekonvaleszenten SARS-CoV-2-Patienten genau bestimmen.