CD8+ T cells in the bone marrow and their impact on the differentiation of dendritic cells during polymicrobial sepsis
Polymicrobial sepsis, a systemic bacterial infection, not only causes initial hyperinflammation but also induces a state of immunosuppression in the later course of disease. Thereby, susceptibility to secondary infections is increased, which has been attributed to a reprogramming of myeloid cells like DCs. These differentiate inside of the bone marrow dependent on the cytokine microenvironment, which is precisely regulated by the composition and activity of bone marrow cells. The mouse model of cecal ligation and puncture (CLP) was used to investigate post-septic immunosuppression.
In contrast to sepsis-induced T cell apoptosis in the spleen, T cells accumulated within 12 to 24 hours after the onset of sepsis in the bone marrow. The number of CD8+ TN, TCM and TVM but not TE/EM significantly increased in the bone marrow. Thereby, TVM were particularly activated, which was proven to be antigen-independent bystander activation.
Furthermore, CD8+ T cells had an impaired ability to produce Interferon (IFN)g in wild-type but not in TLR2 knockout (ko) mice. Transfer of TLR2ko CD8+ T cells narrowed down the TLR2-dependence to a T cell intrinsic effect. Here, in the naïve in vitro model, prestimulation of the TLR2 signaling pathway led to the formation of T cells with reduced capacity to produce IFNg. Thus, TLR2 induction can alter the cytokine secretion pattern of CD8+ T cells. However, the TLR2 ligands during sepsis still have to be identified in future studies. Transfer of TLR2ko CD8+ T cells further demonstrated that these cells were able to influence the overall RNA expression of bone marrow cells towards enhanced IFNg signaling. By altering cytokine production, these cells could interfere with the bone marrow cytokine milieu and thereby influence cell development.
In addition to the loss of DCs in the spleen, there is sepsis-induced loss of dendritic progenitor cells (preDCs) in the bone marrow. The still existing preDCs shift their composition towards Ly6c– preDCs. This might be caused by a dysregulation of preDC formation from stage 1 to stage 2. At the same time, a preferential commitment of preDCs toward the cDC1-committed preDC1 subtype seems to take place. Underlying mechanisms need to be elucidated in further studies. In this context, CD8+ T cells did not affect the composition but the preDC count, as depletion of CD8+ T cells led to a further reduced number of preDCs.
A correlation between IFNg production by CD8+ T cells and the function of splenic DCs as well as de novo generated BMDCs was demonstrated. Here, the transfer of TLR2ko CD8+ T cells led to a clear shift to a decreased IL-12p70/IL10 ratio after LPS stimulation compared to CLP. An experiment with bone marrow-derived DC (BMDC) cultures from wild-type or IFNgko mice had similar results, in which the presence of IFNg during DC differentiation led to a reduced IL-12p70/IL10 ratio.
A possible explanation for different cytokine production of BMDC after CLP might be sepsis-induced altered metabolism of the cells. In this regard, glycolysis and the glutamine synthesis increased in DCs after sepsis. The specific and opposite regulation of IL-10 as well as IL-12p70 production after manipulation of the glutamine metabolism provides the opportunity to precisely regulate cytokine production by DCs. The extent to which CD8+ T cells interfere with metabolic processes needs to be investigated in further studies.
All in all, sepsis-induced dysfunctional DC differentiation is already evident by restructuring of the preDC compartment in the bone marrow, as well as DCs exhibit an altered metabolic profile. Thereby, the parallel increase of bystander activated CD8+ T cells is striking. In addition to other possible factors, these cells could mediate the cytokine milieu via TLR2-dependent altered IFNg production and thus alter DC differentiation. In this context, an interfering in the metabolism might be a possible factor since glutamine metabolism can specifically regulate cytokine production by DCs.
Im Gegensatz zur Sepsis-induzierten T-Zell-Apoptose in der Milz, reicherten sich T-Zellen innerhalb von 12 bis 24 Stunden nach Beginn der Sepsis im Knochenmark an. Innerhalb der CD8+ T-Zellen im Knochenmark war die Anzahl der naiven T-Zellen, zentralen T-Gedächtniszellen und virtuellen T-Gedächtniszellen (TVM), aber nicht der Effektor und Effektor T-Gedächtniszellen, signifikant erhöht. Dabei waren insbesondere TVM aktiviert, welches als antigen-unabhängige Bystander-Aktivierung identifiziert werden konnte.
Darüber hinaus hatten CD8+ T-Zellen in Wildtyp Mäusen eine verminderte Fähigkeit Interferon (IFN) g zu produzieren, welches in Toll-like Rezeptor 2 knockout (TLR2ko) Mäusen nicht auftrat. Der Transfer von TLR2ko CD8+ T-Zellen konnte die TLR2-Abhängigkeit auf einen T-Zell-intrinsischen Effekt eingrenzen. Hier führte auch im naiven in vitro Modell eine Vorstimulation des TLR2-Signalweges zu einer Bildung von T-Zellen mit reduzierter IFN-Produktion. Somit kann die TLR2-Induktion das Zytokin-Sekretionsmuster von CD8+ T-Zellen verändern. Die TLR2-Liganden während der Sepsis müssen jedoch in zukünftigen Studien identifiziert werden. Der Transfer von TLR2ko CD8+ T-Zellen zeigte weiterhin, dass diese Zellen in der Lage sind die Gesamt-RNA-Expression der Knochenmarkzellen in Richtung einer verstärkten IFNg-Signalisierung zu beeinflussen. Durch die Veränderung der Zytokinproduktion könnten diese Zellen in das Zytokin Milieu des Knochenmarks eingreifen und die Zellentwicklung beeinflussen.
Zusätzlich zum Verlust von DCs in der Milz kommt es zu einem Sepsis-induzierten Verlust von dendritischen Vorläuferzellen (preDCs) im Knochenmark. Die noch vorhandenen preDCs verschieben dabei ihre Zusammensetzung in Richtung Ly6c- preDCs. Dies könnte durch eine Dysregulation der preDC-Bildung von Stadium 1 zu Stadium 2 verursacht werden. Gleichzeitig scheint eine präferentielle Bildung der preDCs in Richtung des preDC1-Subtyps stattzufinden, welche sich in der weiteren Entwicklung in konventionelle DCs typ 1 (cDC1) ausbilden. Die zugrunde liegenden Mechanismen müssen in weiteren Studien aufgeklärt werden. In diesem Zusammenhang beeinflussten CD8+ T-Zellen nicht die Zusammensetzung, sondern die Anzahl der preDCs, da eine Depletion von CD8+ T-Zellen zu einer noch mehr reduzierten Anzahl von preDCs führte.
Eine Korrelation zwischen der IFNg-Produktion durch CD8+ T-Zellen und der Funktion der Milz-DCs sowie der de novo generierten BMDCs konnte nachgewiesen werden. Hier führte der Transfer von TLR2ko CD8+ T-Zellen im Vergleich zu CLP zu einem deutlich verringerten Interleukin (IL)-12p70/IL-10-Verhältnis nach LPS-Stimulation. Ein Experiment mit de novo differenzierten dendritischen Knochenmarkszellen (Bone marrow-derived DCs, BMDCs) von Wildtyp- oder IFNgko-Mäusen zeigte ähnliche Ergebnisse, bei denen die Anwesenheit von IFNg während der DC-Differenzierung zu einem reduzierten IL-12p70/IL-10-Verhältnis führte.
Eine mögliche Erklärung für die unterschiedliche Zytokinproduktion von BMDC nach CLP könnte der durch die Sepsis veränderte Metabolismus der Zellen sein. Diesbezüglich waren die Glykolyse und die Glutamin Synthese in DCs nach Sepsis erhöht. Die spezifische und gegenläufige Regulation der IL-10- sowie IL-12p70-Produktion nach Eingriff in den Glutamin-Stoffwechsel eröffnet die Möglichkeit, die Zytokinproduktion der DCs spezifisch zu regulieren. Inwieweit CD8+ T-Zellen Zellen in die Stoffwechselprozesse eingreifen, muss in weiteren Studien untersucht werden.
Insgesamt zeigt sich die Sepsis-induzierte dysfunktionale DC-Differenzierung bereits durch eine Restrukturierung des preDC-Kompartiments im Knochenmark sowie in einem veränderten metabolischen Profil der DCs. Auffällig ist dabei der zeitgleiche Anstieg von „Bystander“ aktivierten CD8+ T-Zellen. Neben anderen möglichen Faktoren könnten diese Zellen über eine TLR2-abhängige veränderte IFNg-Produktion das Zytokin-Milieu verändern und damit die DC-Differenzierung vermitteln. In diesem Zusammenhang könnte eine Störung des Stoffwechsels ein möglicher Faktor sein, da der Glutamin-Stoffwechsel die Zytokinproduktion von DCs spezifisch regulieren kann.