Die Herstellung von T-Zellen mit definierten Spezifitäten durch den Transfer von T-Zellrezeptor (TCR) Genen ist eine effiziente Methode, um Zellen für eine Immuntherapie bereitzustellen. Eine besondere Herausforderung ist dabei, ein ausreichend hohes Expressionsniveau des therapeutischen TCR zu erreichen. Da T-Zellen mit einem zusätzlichen TCR ausgestattet werden, entsteht eine Konkurrenzsituation zwischen dem therapeutischen und dem endogenen TCR. Bevor diese Arbeit begonnen wurde war nicht bekannt, welche TCR nach einem Gen-Transfer exprimiert werden. Daher haben wir Modelle etabliert, in denen TCR Gene in Maus und humane T-Zellen mit definierten endogenen TCR transferiert wurden. Die Expression beider TCR wurde mithilfe von Antikörpern und MHC-Multimeren analysiert. Diese Modelle haben gezeigt, dass bestimmte TCR andere TCR von der Zelloberfläche verdrängen können. Dies führte in einem Fall zu einer vollständigen Umkehr der Antigenspezifität. Aufgrund dieser Ergebnisse haben wir das Konzept von „starken“ (gut exprimierten) und „schwachen“ (schlecht exprimierten) TCR vorgeschlagen. Zusätzlich wurde die Verdrängung „schwacher“ und „starker“ humaner TCR durch Maus TCR beobachtet. Parallel dazu wurde berichtet, dass die konstanten (C) Regionen von Maus TCR für die erhöhte Expression auf humanen Zellen verantwortlich sind. Dies führte zu einer Strategie zur Verbesserung der Expression humaner TCR, die auf dem Austausch der humanen C-Regionen durch die von Maus TCR basiert (Murinisierung). Ein Problem ist dabei die mögliche Immunogenität dieser hybriden Konstrukte. Deshalb haben wir jene Bereiche der Maus C-Regionen identifiziert, die für die erhöhte Expression verantwortlich sind. In der TCRalpha Kette wurden vier und in der TCRbeta Kette fünf Aminosäuren gefunden, die ausreichend für diesen Effekt waren. Primäre humane T-Zellen mit TCR, die diese neun „Maus“ Aminosäuren enthielten, zeigten eine bessere Funktionalität als T-Zellen mit Wildtyp TCR. / The in vitro generation of T cells with a defined antigen specificity by T cell receptor (TCR) gene transfer is an efficient method to create cells for immunotherapy. One major challenge of this strategy is to achieve sufficiently high expression levels of the therapeutic TCR. As T cells expressing an endogenous TCR are equipped with an additional TCR, there is a competition between therapeutic and endogenous TCR. Before this work was started, it was not known which TCR is present on the cell surface after TCR gene transfer. Therefore, we transferred TCR genes into murine and human T cells and analyzed TCR expression of endogenous and transferred TCR by staining with antibodies and MHC-multimers. We found that some TCR have the capability to replace other TCR on the cell surface, which led to a complete conversion of antigen specificity in one model. Based on these findings we proposed the concept of ‘‘strong’’ (well expressed) and “weak” (poorly expressed) TCR. In addition, we found that a mouse TCR is able to replace both “weak” and “strong” human TCR on human cells. In parallel to this result, it was reported that the constant (C)-regions of mouse TCR were responsible for the improved expression of murine TCR on human cells. This led to a strategy to improve human TCR by exchanging the C-regions by their murine counterparts (murinization). However, a problem of these hybrid constructs is the probable immunogenicity. Therefore, we identified the specific parts of the mouse C-regions which are essential to improve human TCR. In the TCRalpha C-region four and in the TCRbeta C-region five amino acids were identified. Primary human T cells modified with TCR containing these nine “murine” amino acids showed an increased function compared to cells modified with wild type TCR. For TCR gene therapy the utilization of these new C-regions will reduce the amount of foreign sequences and thus the risk of immunogenicity of the therapeutic TCR.

T-Zellrezeptor (TZR)-Gentherapie zeigte erste Erfolge in klinischen Studien, jedoch wurden gleichzeitig Risikofaktoren deutlich. Ein Risikofaktor ist das falsche Paaren der transferierten TZR-Ketten mit den endogenen, was zu TZR-Molekülen von unbekannter Spezifität führt und die Oberflächenexpression und somit auch die Funktionalität des transgenen TZR reduziert. Dieser Aspekt wurde in generierten T-Zellklonen mit einer konstitutiven/endogenen TZR-Expression sowie einer zweiten induzierbaren/transgenen TZR-Expression untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Induktion der transgenen TZR-Expression der endogene TZR seine Funktionalität verlor, obwohl er noch auf der Oberfläche detektierbar war. Als Ursachen wurden neben einer reduzierten Oberflächenexpression des endogenen TZR auch falsch gepaarte TZR-Moleküle, die mit Hilfe der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Methode detektiert wurden, gefunden. Die Modifikation des TZR durch den Einbau einer zweiten Cystein-Brücke, was das Paaren der korrespondierenden TZR-Ketten stabilisieren soll, führte in den T-Zellklonen zu keiner Reduktion der falsch-paarenden TZR-Moleküle. In primären Wildtyp-T-Zellen verbesserte sich das richtige Paaren des transgenen TZR leicht und konnte durch Codon-Optimierung der TZR-Gene weiter verbessert werden. Der zweite untersuchte Risikofaktor ist die Insertionsmutagenese durch den retroviralen Vektor. Die sichere Verwendbarkeit von differenzierten T-Zellen für die TZR-Gentherapie wurde in einem Tiermodel mit wiederholter T-Zellstimulierung, um weitere Mutationen während der Zellteilung zu provozieren, analysiert. Im Laufe der Zeit reicherten sich die transferierten T-Zellen in den Tieren dramatisch an, aber entwickelten sich nicht zu T-Zelllymphomen. Die Proliferationskapazität und die Funktionalität der transferierten T-Zellen wurden bestätigt. Die Polyklonalität der TZR-gen-modifizierten T-Zellen wurde mit Hilfe der linear-amplifizierten Polymerasekettenreaktion nachgewiesen. / T cell receptor (TCR) gene therapy is a new therapy for cancer which showed first clinical success but at the same time risk factors evolved. One risk factor is the mispairing of the TCR chains with the endogenous TCR chains which leads to TCRs with unknown specificities and to a reduced expression and functionality of the transferred TCR. This aspect was analyzed in dual TCR T cell clones which had one constitutive/endogenous TCR expression as well as a second inducible/transgenic TCR expression. It could be shown that the endogenous TCR lost its functionality after induction of the transgenic TCR expression although it was still detectable on the cell surface. The reason was found in the lower surface expression level of the endogenous TCR as well as in mispaired TCR dimers detected by fluorescence resonance energy transfer (FRET) technique. Modification of the TCR by insertion of a second cysteine bridge which should stabilize the pairing of the corresponding TCR chains did not reduce the TCR mispairing in the T cell clones. In primary wild-type cells, the pairing of the transgenic TCR improved slightly and could be further improved by codon-optimization of the TCR genes. The second analyzed possible side effect of TCR gene therapy is the insertional mutagenesis by the retroviral vector. The safety of differentiated T cells for TCR gene therapy was analyzed in an animal model with a repetitive T cell stimulation to provide the opportunity for mutations to occur during cell division. Over time, transferred T cells increased dramatically in the recipient mice, but did not lead to T cell lymphomas. The proliferative capacity and the functionality of transferred T cells were confirmed. The polyclonality of the TCR gene-modified T cells could be confirmed by linear amplification-mediated polymerase-chain reaction.

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Durch den Transfer der Gene des heterodimeren T-Zellrezeptors (TZR) mithilfe viraler Vektoren können T-Zellen programmiert werden, ein ausgewähltes Antigen spezifisch zu erkennen. In klinischen Studien wurden solche T-Zellen bereits mit Erfolg zur Immuntherapie von Krebs und viralen Infektionen eingesetzt. Genmodifizierte T-Zellen unterscheiden sich jedoch von normalen T-Zellen, weil sie neben den beiden zelleigenen auch die zwei übertragenen TZR-Gene exprimieren. Diese Situation erlaubt die Bildung vier verschiedener TZR-Heterodimere: der zelleigene TZR, der übertragene TZR und zwei gemischte TZR, bestehend aus je einer übertragenen und einer zelleigenen TZR-Kette. Gemischte TZR bergen das Risiko von Nebenwirkungen, weil sie durch Zufall gesundes Körpergewebe erkennen und so Autoimmunität auslösen könnten. In dieser Arbeit wurden deshalb virale Vektoren entwickelt, die gleichzeitig mit der Übertragung von neuen TZR-Genen den zelleigenen TZR durch RNA Interferenz (RNAi) unterdrücken. Mikro-RNA (miRNA), die in den Vektor MP71 eingefügt wurden, reduzierten den zelleigenen TZR in Maus-T-Zellen um mehr als 85%. Dies hatte zur Folge, dass beide Ketten des übertragenen P14-TZR in gleicher Menge auf der Zelloberfläche exprimiert wurden und die Bildung von gemischten TZR reduziert wurde. In einem Mausmodell der adoptiven T-Zelltherapie verhinderte die Unterdrückung des zelleigenen TZR die Entstehung von Autoimmunität, die andernfalls durch gemischte TZR verursacht wurde. Im Gegensatz dazu führte die Anwendung von gentechnisch optimierten P14-TZR-Genen weder zur angeglichenen Oberflächenexpression der P14-TZR Ketten noch zu weniger Autoimmunität im Mausmodell. Ein anderes Tierexperiment zeigte, dass die miRNA die Funktion der genmodifizierten T-Zellen nicht beeinträchtigte. Schließlich wurde ein viraler Vektor entwickelt und getestet, der die Expression des zelleigenen TZR in menschlichen T-Zellen effektiv unterdrückte und die Bildung von gemischten TZR reduzieren konnte. / T cells can be genetically modified using viral vectors. The transfer of genes encoding both chains of the heterodimeric T cell receptor (TCR) programs T cells to specifically react towards an antigen of choice. Such TCR gene-modified T cells were already successfully applied in clinical studies to treat cancer and viral infections. However, in contrast to nonmanipulated T cells these cells express the transferred TCR in addition to the endogenous TCR and this situation allows the assembly of four different TCR heterodimers: the endogenous TCR, the transferred TCR, and two mixed TCR dimers, composed of one endogenous and one transferred TCR chain. The formation of mixed TCR dimers represents a safety issue because they may by chance recognize self-antigens and thereby cause autoimmune side effects. To overcome this problem, an RNAi-TCR replacement vector was developed that simultaneously silences the endogenous TCR and expresses an RNAi-resistant therapeutic TCR. The expression of miRNA encoded by a retroviral MP71 vector in transduced mouse T cells reduced the surface levels of the endogenous TCR by more than 85%. The knockdown of the endogenous TCR in turn resulted in equal surface expression levels of both transferred P14 TCR chains and prevented the formation of mixed TCR dimers. Accordingly, the development of lethal mixed TCR dimer-dependent autoimmunity (TI-GVHD) in a mouse model of adoptive T cell therapy was dramatically reduced by the knockdown of the endogenous TCR. In contrast, the usage of genetically optimized TCR genes neither resulted in equal surface levels of both P14 TCR chains nor in reduced autoimmunity. A second mouse model demonstrated that the in vivo functionality of the transduced T cells was not negatively influenced by the expression of the miRNA. Finally, an RNAi-TCR replacement vector for human T cells was developed that effectively reduced the expression of the endogenous TCR and prevented the formation of mixed TCR dimers.

Helper T cells direct the immunological response to foreign pathogens and cancer. To become activated, helper T cells must recognize unique peptides presented on major histocompatibility complex II (pMHCII) by antigen presenting cells (APCs) with their T cell receptor (TCR). While much is known about helper T cell activation signaling cascades and the subsequent roles of helper T cell subsets, the initiation of helper T cell activation by the TCR and other co-receptors is less well understood. Specifically, the affinity of the TCR for its pMHCII can change helper T cell subset fate, proliferation, and alter the risk for activation induced cell death. High affinity TCRs are attractive targets for immunotherapies, but little is known about how helper T cells respond to high affinity TCRs. Here we describe high affinity TCR activation thresholds for both full length TCRs and chimeric antigen receptor TCRs both with and without the presence of the coreceptor CD4 and propose a mechanism whereby CD4 inhibits T cell activation via Lck sequestration and a CD4-independent method. Dysregulated helper T cells play critical roles in the development and perpetuation of systemic lupus erythematosus (SLE), a systemic autoimmune disease that causes widespread inflammation and organ damage throughout the body. Chronic inflammation in SLE affects the immune response to viruses and the risk of developing cancer. However, in SLE patients, it is unclear if viruses initiate the development of cancer directly or if the effects are non-interacting and concomitant. Here we describe the interactions between SLE, viruses, and cancer risk revealing that viruses and SLE do interact to increase the both the overall cancer risk and the risk for hematological malignancies. Due to vaccine efficacy, vaccine preventable diseases (VPDs) are no longer commonly experienced or understood by the public. Vaccines are a victim of their own success and according to the World Health Organization (WHO), vaccine hesitancy (VH) is one of the top threats to global health. VH is the refusal to accept vaccinations and the reasons for VH vary across time, place, and vaccine. Refuting VH is difficult as directly confronting false assumptions can cause individuals to become more entrenched in their position resulting in confirmation bias. Adults with VH attitudes are often motivated by concerns over personal liberty, harm, independence, and body purity. Here we describe the results of a VPD interview- and education-based intervention geared towards promoting positive vaccine attitudes for young adults and demonstrate that education focused on VPDs is more effective than vaccine safety.

Dans le monde, 58 millions de personnes sont chroniquement infectées par le virus de l'hépatite C (VHC). Depuis 2011, l'introduction des antiviraux à action directe a permis la guérison des infections chroniques chez la majorité des sujets traités (~95 %). Toutefois, les traitements sont coûteux et ne protègent pas contre les réinfections, d'où la nécessité de développer un vaccin prophylactique pour freiner efficacement l'épidémie du VHC. Environ 30% des primo-infections sont éliminées spontanément, représentant une occasion unique d'étudier les corrélats de l’immunité protectrice nécessaires pour le développement d’un vaccin efficace. Dans cette thèse, nous avons procédé à la définition des corrélats de l'immunité protectrice au cours des infections par le VHC primaires et subséquentes aux niveaux transcriptomique, clonotypique et fonctionnel à partir d’une cohorte d’utilisateurs de drogues par injection. Le premier objectif était de caractériser le répertoire de récepteurs des cellules T CD8 spécifique de l'épitope immunodominant et cross-réactif NS3 1073-1081 (CINGVCWTV) restreint par HLA-A2 au cours d’une primo-infection aiguë progressant vers une résolution spontanée ou une infection chronique. Nous avons identifié un ensemble de treize clonotypes publics, indépendamment de l'issue de l'infection. Plusieurs clonotypes publics avaient une longue durée de vie après résolution de l’infection et ont proliféré après réinfection par le VHC. En explorant les bases de données publiques, nous avons identifié plusieurs clonotypes partagés avec d'autres épitopes viraux restreints par HLA-A2, mais ils étaient de faible fréquence et de réactivité croisée limitée, suggérant un rôle limité des lymphocytes T CD8 cross-réactifs au cours de l'infection primaire par le VHC. Le deuxième objectif était de caractériser les signatures transcriptomiques longitudinales des cellules mononucléaires du sang périphérique totaux chez huit sujets ayant spontanément résolu deux infections consécutives par le VHC. Nous avons également comparé ces signatures avec un schéma vaccinal composé d'un vecteur à adénovirus de chimpanzé suivi d'un rappel utilisant la vaccine modifiée Ankara, exprimant tout deux les protéines non-structurales du VHC. Nous avons identifié une signature transcriptomique des plasmocytes au cours d'une réinfection aiguë, absente lors de l'infection primaire et après le rappel du vaccin. La résolution spontanée est associée à une expansion rapide des cellules B mémoires spécifiques de la glycoprotéine E2 chez 3 sujets et à une augmentation transitoire des anticorps neutralisants anti- E2 chez 6 sujets. Parallèlement, il y avait une augmentation de l'étendue et de l'ampleur des lymphocytes T spécifiques du VHC chez 7 sujets. En conclusion, nous avons identifié treize clonotypes publics uniques au VHC qui ont proliféré au cours des infections primaire et secondaire. La faible fréquence des clonotypes cross-réactifs suggère qu'ils ne sont pas des déterminants majeurs de l’issue de l’infection. De plus, nous avons observé une augmentation simultanée des réponses des lymphocytes B et T spécifiques du VHC au stade aiguë précoce, suggérant un rôle des deux bras de l’immunité adaptative dans la clairance de la réinfection du VHC. Nos résultats soutiennent l'idée de combiner deux stratégies vaccinales induisant à la fois une immunité à médiation cellulaire et une immunité humorale visant à prévenir les infections chroniques par le VHC. / Worldwide, 58 million individuals are chronically infected with hepatitis C virus (HCV). Since 2011, the introduction of direct acting antivirals enabled the cure of chronic HCV in the majority of treated subjects (~95%). However, direct-acting antivirals treatments are expensive and do not protect against reinfection, urging the need to develop a prophylactic vaccine to efficiently curb the HCV epidemic. Around 30% of acutely infected individuals will spontaneously clear the infection, representing a unique opportunity to study the correlates of immune protection needed to develop a potent vaccine. In this thesis, we proceeded to define the correlates of protective immunity during primary and sub-sequent HCV infections at the transcriptomic, clonotypic and functional levels using longitudinal peripheral blood mononuclear cells samples collected from a cohort of people who inject drugs (PWID). The first aim was to characterize the CD8 T cell receptor repertoire specific to the immunodominant and cross-reactive HLA-A2 restricted NS3 1073-1081 (CINGVCWTV) epitope during acute HCV in PWID progressing to either spontaneous resolution or chronic infection. We identified a set of thirteen public clonotypes in HCV-infected subjects irrespective of infection outcome. Several public clonotypes were long-lived in resolvers and expanded upon reinfection. By mining publicly available data, we identified several TCR clonotypes shared with other HLA-A2 restricted epitopes, but they were of low frequency and limited cross-reactivity, suggesting that they are not major determinants of infectious outcome. The second aim was to characterize longitudinal transcriptomic signatures using total peripheral blood mononuclear cells, as well as T and B cell recall responses in eight subjects who spontaneously resolved two successive episodes of HCV infection. Furthermore, we compared the transcriptomic signatures of primary and secondary resolving HCV infections, with an HCV nonstructural protein vaccine regimen of recombinant chimpanzee adenovirus 3 vector prime followed by modified vaccinia Ankara boost. We identified a plasma cell transcriptomic signature during early acute HCV reinfection that was absent in primary infection and following HCV vaccine boost. Spontaneous resolution of HCV reinfection was associated with rapid expansion of glycoprotein E2-specifc memory B cells in 3 subjects and transient increase in E2-specific neutralizing antibodies in 6 subjects. Concurrently, there was an increase in the breadth and magnitude of HCV-specific T cells in 7 subjects. In conclusion, we identified thirteen new public CD8+ TCR clonotypes unique to HCV that expanded during acute infection and reinfection. The low frequency of crossreactive TCRs suggests that they are not major determinants of infectious outcome. Moreover, we observed a concurrent increase of HCV-specific B and T cell responses early during acute HCV reinfection at the transcriptomic and functional levels, suggesting a role for both arms of the adaptive immune response in HCV reinfection clearance. Our results support the combined T and B cell-based vaccine strategy aimed at preventing chronic HCV infections.