Mechanisms of pregnancy-induced tolerance in an animal model of multiple sclerosis

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is the most frequent inflammatory disease affecting the central nervous system (CNS). During pregnancy, MS patients show ameliorated disease activity resulting in decreased relapse rates, while post-partum disease activity is increased before returning to the individual pre-pregnancy rates. Foxp3+ regulatory T cells (Treg), which are expanding during pregnancy and are crucial for establishing tolerance to the semiallogeneic fetus, are hypothesized to play a pivotal role in mediating this pregnancy- associated control of autoimmunity. However, the precise mechanism by which this occurs is currently unknown. Thus, the goal of this work was to investigate the underlying molecular pathways of pregnancy-induced CNS tolerance in a mouse model of MS with a special focus on Treg. For this purpose, a mouse model of pregnancy-associated CNS tolerance was established. In this model, pregnant mice are temporarily protected from developing experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and present with reduced CNS infiltration of immune cells. Similar to MS patients, a rebound phenomenon is observed after delivery. Additionally, Treg frequency, phenotype and function were assessed throughout pregnancy and post-partum. Treg preferentially accumulated in uterus-draining lymph nodes and persisted as long as 30 days post-partum. Moreover, late gestational Treg presented elevated expression of Ki67 and Ctla4 and showed increased suppressive capacity. Accumulation of Treg could be emulated in vitro by the pregnancy hormone progesterone (P4). This effect could be attributed to P4 cross-engagement of the glucocorticoid receptor (GR) in T cells. Accordingly, T cell-restricted GR-deficiency in GRfl/flLck-Cre mice abrogated Treg accumulation. Furthermore, the relevance of this mechanism was evaluated in pregnancy in vivo. While GR in T cells was required for pregnancy-induced protection from EAE, it was dispensable for effective reproduction, as the fetal loss rate was unchanged in comparison to control animals. Treg accumulation by GR engagement could be further attributed to differential steroid resistance of Treg and conventional T cells (Tcon), rendering Treg more steroid resistant. Finally, whole genome expression analysis was utilized to identify Cpt1a, Il7r and other target genes potentially involved in rendering the Treg population more resilient during pregnancy. In summary, this works proposes a role for differential GR-mediated sensitivity of Treg and Tcon to pregnancy-related steroid hormones being dispensable for fetomaternal tolerance but indispensable for pregnancy-induced amelioration of CNS autoimmunity.

Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). Während der Schwangerschaft von MS-Patientinnen kommt es zu einer Reduktion der Krankheitsaktivität mit Verminderung der Schubrate. Nach der Geburt des Kindes steigt die Schubrate zunächst sprunghaft an, um sich in der Folge wieder auf das Vor-Schwangerschafts-Niveau einzupendeln. Es wird angenommen, dass Foxp3+ regulatorische T-Zellen (Treg), die während der Schwangerschaft eine immunologische Toleranz gegenüber dem semiallogenen Fetus sicherstellen, am Aufbau dieses temporären Schutzes vor Autoimmunität beteiligt sind. Wie genau dieser Schutz jedoch vermittelt wird, ist bisher nicht ausreichend verstanden. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Zusammenhänge in einem Mausmodel der MS unter besonderer Berücksichtigung von Treg zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein Mausmodel etabliert, in dem trächtige Mäuse temporär vor der Entwicklung einer experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) geschützt sind und eine verminderte ZNS-Infiltration von Immunzellen aufweisen. Wie bei MS- Patientinnen kommt es nach der Geburt zu einem Rebound-Phänomen. Zusätzlich wurden Frequenz, Phänotyp und Funktion von Treg während der Trächtigkeit und im postpartalen Verlauf untersucht. Treg reicherten sich insbesondere in den Uterus- drainierenden Lymphknoten an und blieben bis 30 Tage postpartum erhöht nachweisbar. Weiterhin zeigten Treg in der späten Trächtigkeit eine erhöhte Expression von Ki67 und Ctla4 und hatten eine erhöhte suppressive Kapazität. Die Anreicherung von Treg konnte in vitro mit dem Schwangerschaftshormon Progesteron (P4) nachgestellt werden. Dieser Effekt konnte ferner auf eine Kreuz-Reaktivität von P4 am Glukokortikoid-Rezeptor (GR) zurückgeführt werden. Insbesondere da eine auf T-Zellen beschränkte GR-Defizienz in GRfl/flLck-Cre-Mäusen die Treg-Anreicherung aufhob. Daraufhin wurde die Bedeutung dieses Mechanismus während der Trächtigkeit in vivo untersucht. Während der GR in T- Zellen unerlässlich für den Trächtigkeits-induzierten Schutz vor EAE war, war er für die Toleranz gegenüber den Feten nicht zwingend notwendig. Die Treg-Anreicherung konnte weiterhin auf eine höhere Steroid-Resistenz von Treg gegenüber konventionellen T-Zellen (Tcon) zurückgeführt werden. Schließlich wurden in eine genomweiten Genexpressionsanalyse Cpt1a, Il7r und weitere Kandidaten identifiziert, die potentiell an einer erhöhten Widerstandkraft von Treg während der Trächtigkeit beteiligt sind. Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit eine differenzielle GR-vermittelte Sensitivität von Treg und Tcon gegenüber Schwangerschafts-assoziierten Steroidhormonen gezeigt. Dieser Mechanismus war keine zwingende Voraussetzung für die Toleranz gegenüber den Feten, war jedoch andererseits unerlässlich für einen Schwangerschafts-induzierten Schutz vor ZNS-Autoimmunität.