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Determinants of HCV-specific CD8+ T cell expansion

Ziegler, Susanne

Infection with the hepatitis C virus still remains a global health problem. The antiviral immune response against HCV by CD8+ T cells plays a central role in viral containment, however, it has been highlighted in numerous studies that the CD8+ T cell responses during HCV infection are relatively weak and dysfunctional. Activation of virus-specific CD8+ T cells is a multi-step process, in which the sequence of the presented antigen, as well as the site of antigen presentation has important consequences for the quality of the CD8+ T cell response. Hence, in the present thesis, determinants of HCV-specific CD8+ T cell expansion were analyzed. HCV is characterized by high levels of genetic variation between genotypes and subtypes but also between isolates of the same subtype. This high sequence variation in immunodominant epitopes precludes protective immunity and represents a major obstacle to vaccine design. In this study, we analyzed the global sequence diversity of the immunodominant HLA-A*02-restricted CD8+ T cell epitope NS31406-1415 in circulating genotype 1a and 1b isolates and its impact on CD8+ T cell priming and induction of cross-reactive T cell responses. Circulating sequence variants of the NS31406-1415 epitope showed distinct priming potential and cross-reactivity patterns. Importantly, the highest degree of cross-reactivity was induced by a sequence that is rarely observed in the European population. Upon vaccination, the elicited CD8+ T cells should be polyfunctional and target multiple epitope variants. This study highlights the relevance of antigen sequence variation for subsequent CD8+ T cell responses and provides a rational for the selection of the optimal epitope sequence for a vaccine against HCV, associated with the induction of a broad cross-reactive and polyfunctional CD8+ T cell response. A hallmark of chronic infections with hepatotropic viruses such as HCV is the notoriously weak antiviral immune response by CD8+ T cells. Primary antigen encounter in HCV infections happens in the liver. It is believed that the liver-specific environment can induce tolerance either by induction of dysfunctional CD8+ T cells or by premature death of activated CD8+ T cells. Recent reports from mouse models indicate that hepatocytes can act as antigen-presenting. Direct antigen presentation by virally infected hepatocytes thus might inhibit the CD8+ T cell response. This study showed that the frequency of virus-specific CD8+ T cells after 10 days expansion was dramatically reduced in the presence of hepatocytes. This suppressive effect was independent of the cell-type that was used for antigen-presentation (hepatocyte or PBMC) and of antigen-specific contact. Expansion of CD8+ T cells in the presence of hepatocytes was almost completely restored in transwell experiments indicating that the suppressive effect is cell-contact dependent. Analysis of the cytokine profile from culture supernatants revealed increased concentrations of TGF-β in the presence of hepatocytes compared to their absence. This study gives important hints for the establishment of chronic infections by hepatotropic viruses.

Infektionen mit dem Hepatitis C Virus (HCV) sind global ein enormes Problem. Verschiedene Studien belegen, dass während einer akuten HCV-Infektion CD8+ T Zellen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Virusinfektion spielen. Allerdings sind HCV-spezifische T Zellantworten oft schwach und dysfunktional. Die Aktivierung virusspezifischer T Zellen ist ein sensitiver, komplexer Prozess, bei dem sowohl die Sequenz des präsentierten Antigens, als auch das Umfeld in dem der primäre Kontakt zwischen antigenpräsentierender und virusspezifischer Zelle stattfindet, Einfluss auf die resultierende T Zellantwort ausübt. Daher wurden in der vorliegenden Studie Faktoren der HCV-spezifischen T Zellantwort untersucht. Das Hepatitis C Virus zeichnet sich durch ein hohes Maß an genetischer Variabilität aus. Es werden sieben verschiedene Genotypen und multiple Subtypen unterschieden, aber selbst zwischen Varianten des gleichen Subtyps gibt es wichtige Sequenzunterschiede. Diese hohe Sequenzvariabilität ist ein entscheidendes Hindernis in der Entwicklung eines geeigneten Impfstoffs gegen HCV. Allerdings wird selbst nach spontaner Ausheilung einer Infektion eine protektive Immunantwort häufig nicht erreicht, da sich immundominante Epitope zwischen verschiedenen HCV Isolaten unterscheiden und diese Sequenzvarianten häufig nicht von CD8+ T Zellen erkannt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die globale Sequenzdiversität der Genotypen 1a und 1b in einem immundominanten HLA-A*02-assoziierten CD8+ T Zell-Epitop NS31406-1415 analysiert. Dabei wurde der Einfluss der Sequenzunterschiede auf die ‚Priming‘-Kapazität von CD8+ T Zellen sowie die Induktion von kreuzreaktiven CD8+ T Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die global zirkulierenden Varianten in ihrer ‚Priming‘-Kapazität von CD8+ T Zellen unterscheiden. Diese in vitro generierten T Zellantworten unterschieden sich maßgeblich in ihrer Fähigkeit der Kreuzreaktivität. Interessanterweise stammt die Sequenzvariante mit der breitesten Kreuzreaktivität aus Isolaten, die hauptsächlich in Japan zirkulieren und somit nur selten in Europa zu finden sind. Ein Impfstoff gegen HCV sollte eine polyfunktionelle CD8+ T Zellantwort hervorrufen und ebenso kreuzreaktiv mit Sequenzvarianten des Epitops sein. In dieser Studie konnte die entscheidende Bedeutung von Sequenz-variationen in einem Antigen für die folgende CD8+ T Zellantwort gezeigt werden. Die Daten unterstreichen, wie wichtig die Auswahl der optimalen Epitopsequenz für eine Vakzine gegen HCV ist, indem eine polyfunktionelle sowie auch kreuzreaktive CD8+ T Zellantwort aktiviert wird. Im Falle einer Infektion mit dem Hepatitis C Virus findet der erste Kontakt zwischen antigenpräsentierender und virusspezifischer Zelle in der Leber statt. Die Leber spielt eine wichtige Rolle im adaptiven Immunsystem, da hier die Präsentation von Antigenen an CD8+ T Zellen Toleranz induzieren kann, indem dysfunktionale CD8+ T Zellen induziert werden oder deren Aktivierung in der Leber zu früher Apoptose führt. Ein Kennzeichen chronischer Infektion mit hepatotropen Viren ist somit die schwache Immunantwort durch CD8+ T Zellen. Jüngere Studien an Mausmodellen konnten belegen, dass Hepatozyten ebenfalls als antigenpräsentierende Zellen fungieren und demnach möglicherweise eine Rolle in der Toleranzinduktion von CD8+ T Zellen einnehmen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Expansion virus-spezifischer CD8+ T Zellen in der Anwesenheit von primären humanen Hepatozyten drastisch reduziert ist. Die Hemmung der virusspezifischen CD8+ T Zellexpansion war unabhängig vom antigenpräsentierenden Zelltyp und war unabhängig vom antigenspezifischen Kontakt. Die Hemmung der virusspezifischen CD8+ T Zell Expansion war allerdings aufgehoben, wenn direkter Kontakt zwischen Hepatozyten und PBMC durch den Gebrauch eines Membraneinsatzes in der Kultur verhindert wurde. Dies deutet an, dass der hemmende Effekt von Hepatozyten kontaktabhängig ist. Eine Analyse der Zellkulturüberstände erwies eine erhöhte Konzentration von TGF-β in der Anwesenheit von Hepatozyten. In der vorliegenden Studie wurde demnach gezeigt, dass eine Hemmung der CD8+ T Zellantwort durch Hepatozyten möglicherweise zur Chronifizierung von Infektionen mit hepatotropen Viren beitragen kann.

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Ziegler, Susanne: Determinants of HCV-specific CD8+ T cell expansion. 2013.

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