京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21636号 / 医博第4442号 / 新制||医||1034(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 生田 宏一, 教授 杉田 昌彦, 教授 竹内 理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques est une technique très efficace pour traiter différents cancers du sang. Malheureusement la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) demeure la cause principale de morbidité et de mortalité post-greffe. La GVHD entraîne une diminution de la reconstitution immunitaire ce qui accentue considérablement l’immunosuppression associée à ce traitement et de ce fait augmente les risques d’infection et de rechute. Notre laboratoire a démontré précédemment que les niveaux élevés d’IL-7 dans des hôtes lymphopéniques interféraient avec la capacité des cellules dendritiques (DC) à soutenir la prolifération homéostatique (PH) des lymphocytes T CD4+. Puisque les niveaux d’IL-7 sont aussi élevés dans un contexte de GVHD, nous avons émis l’hypothèse que la signalisation de l’IL-7 sur les DC pouvait contribuer à diminuer la reconstitution immunitaire des lymphocytes T CD4+. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé le modèle murin de GVHD C57BL/6 (B6) dans B6D2F1. Afin de régénérer une niche hématopoïétique permissive à la PH des lymphocytes T CD4+, nous avons transplanté des souris B6D2F1 avec de la moelle osseuse de souris B6 IL-7Rα-/-. La GVHD a été induite en transférant des lymphocytes T B6 réactifs aux cellules B6D2F1. Dans les souris contrôles, la PH des lymphocytes T CD4+ est maintenue. Par contre, la PH est absente dans les souris en GVHD malgré la présence d’une niche périphérique qui ne répond pas à l’IL-7. L’absence de PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD est associée à une diminution du nombre de DC. En utilisant un test de cytotoxicité in vivo nous démontrons que les DC B6 générées dans une hôte B6D2F1 sont éliminées par les lymphocytes T B6 alloréactifs. En conclusion, nos résultats démontrent que l’immunosuppression associée à la GVHD est en partie causée par une élimination des DC par les lymphocytes T allogéniques. Nous postulons donc que la perte des DC, et non la signalisation de l’IL-7 sur les DC, est le facteur limitant la PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD. / Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (SCT) is an effective treatment for numerous types of haematological malignancies. However, graft-versus-host disease (GVHD) remains the major cause of morbidity and mortality following SCT. GVHD is associated with poor immune reconstitution and its adverse effect on T cell regeneration greatly exaggerates the immunodeficiency normally associated with SCT. As a result, patients experiencing GVHD present deficit in T cells that can last for several years. Our laboratory has demonstrated that elevated systemic IL-7 found during lymphopenia can interfere with the capacity of dendritic cells (DC) to support the homeostatic proliferation (HP) of CD4+ T cells. Since IL-7 levels are also elevated during GVHD, we hypothesized that IL-7 signaling in DC could also contribute to diminished T cell reconstitution in this setting. We used the well describe GVHD mouse model C57BL/6 (B6) into B6D2F1 to study the contribution of IL-7 signalling in DC on CD4+ T cell regeneration during GVHD. To regenerate a peripheral niche permissive for CD4+ T cells HP, we transplanted B6D2F1 mice with bone marrow (BM) from B6 IL-7Rα-/- mice. Finally, GVHD was induced with 1x106 of alloreactive B6 T cells. In control mice transplanted with IL-7Rα-/- BM cells, CD4+ T cells HP is efficiently supported. In contrast, CD4+ HP is completely abrogated in GVHD mice despite the presence of a peripheral niche that does not signal IL-7. Loss of CD4+ HP during GVHD was associated with diminished number of DC. Using an in vivo cytotoxic assay, we demonstrated that B6 DC can be eliminated by alloreactive B6 T cells when these cells developed into B6D2F1 hosts. In conclusion, our data demonstrates that the immunosuppression associated with GVHD is in part related to the elimination of donor-derived DC by donor alloreactive T cells. Therefore, we postulate that loss of DC, and not IL-7 signaling in DC, represents the limiting factor that contains CD4+ HP during GVHD.

Bei der Aufrechterhaltung des homeostatischen Gleichgewichts und der peripheren Selbst-Toleranz spielen CD4+CD25+ regulatorische T-Zellen (Tregs) eine wichtige Rolle. In Vorarbeiten wurden Subpopulationen von murinen CD4+ Tregs identifiziert, die sich durch die Expression des Integrins alphaE auszeichnen. Diese alphaE+ Treg Subpopulationen weisen einen Effektor/Memory-ähnlichen Phänotyp auf. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, welche Bedingungen zur Entwicklung von alphaE+ Effektor/Memory Tregs in vivo führen und aus welchen Vorläuferzellen sie entstehen. Dabei zeigte sich, dass es sich bei den alphaE+ Tregs um Effektor/Memory T-Zellen handelt, die unter physiologischen Bedingungen in vivo ein hohes Maß an Zellteilung aufweisen, welche zum Teil abhängig von der bakteriellen Besiedelung des Darms ist. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass alphaE+ Tregs nach oraler, antigen-spezifischer Aktivierung in den darm-assozierten lymphoiden Geweben sowohl aus konventionellen naiven CD4+ T-Zellen, als auch aus thymus-generierten naiven CD4+CD25+ Tregs entstehen können. Zusammenfassend deuten die erzielten Ergebnisse darauf hin, dass das spezifische mukosale Mikroenvironment sowohl die Expansion als auch Konvertierung von Tregs fördert und so eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Homeostase von alphaE+Foxp3+ Tregs spielt. Zudem wurde in dieser Arbeit die Ausbildung von gewebespezifischen Homingrezeptor-Phänotypen von naiven CD4+CD25+ Tregs untersucht. In in vitro Kultur-Systemen zeigte sich, dass selektive Modulation von Tregs, ähnlich wie bei konventionellen T-Zellen, die Induktion von organspezifischen Migrationseigenschaften ermöglicht. So konnte eine effiziente Wanderung von Tregs in den Darm ausgelöst werden. Diese Daten legen den Schluss nahe, dass die Herstellung von Tregs mit spezifischen Wanderungseigenschaften eine Option für therapeutische Anwendungen in der adoptiven T-Zell Therapie sein könnte. / Regulatory CD4+CD25+ T cells (Tregs) play an important role in immune homeostasis and in the maintenance of self-tolerance. Previously, subsets of murine CD4+ Tregs characterised by expression of the integrin alphaE had been identified. These alphaE+ Treg subsets display an effector/memory-like phenotype. In the present study the circumstances favouring in vivo generation of effector/memory-like alphaE+ Tregs were analysed. The results presented here show that alphaE+ effector/memory-like Treg subsets contain a large fraction of cycling cells under physiologic conditions in healthy mice. This in vivo proliferation depended, at least in part, on intestinal commensal microflora. Furthermore, it was observed that alphaE+ Tregs not only developed by differentiation of naive-like CD4+CD25+ Tregs, but were also generated de novo from naive CD4+ T cells in the gut-associated lymphoid tissue upon oral antigen delivery. Taken together, these results indicate that the mucosal microenvironment favours both expansion and conversion of Tregs and thereby represents an important mechanism for the homeostatic maintenance of alphaE+Foxp3+ Tregs. In addition, susceptibility of naive CD4+CD25+ Tregs to acquire tissue-specific homing receptor phenotypes was investigated. In vitro culture systems demonstrated that Tregs, similarly to conventional T cells, could be configured with organ-selective homing properties allowing efficient targeting into the gut. These results suggest that generation of Tregs with specific homing properties for therapeutic purposes in adoptive T cell therapy might be a feasible option.

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques est une technique très efficace pour traiter différents cancers du sang. Malheureusement la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) demeure la cause principale de morbidité et de mortalité post-greffe. La GVHD entraîne une diminution de la reconstitution immunitaire ce qui accentue considérablement l’immunosuppression associée à ce traitement et de ce fait augmente les risques d’infection et de rechute. Notre laboratoire a démontré précédemment que les niveaux élevés d’IL-7 dans des hôtes lymphopéniques interféraient avec la capacité des cellules dendritiques (DC) à soutenir la prolifération homéostatique (PH) des lymphocytes T CD4+. Puisque les niveaux d’IL-7 sont aussi élevés dans un contexte de GVHD, nous avons émis l’hypothèse que la signalisation de l’IL-7 sur les DC pouvait contribuer à diminuer la reconstitution immunitaire des lymphocytes T CD4+. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé le modèle murin de GVHD C57BL/6 (B6) dans B6D2F1. Afin de régénérer une niche hématopoïétique permissive à la PH des lymphocytes T CD4+, nous avons transplanté des souris B6D2F1 avec de la moelle osseuse de souris B6 IL-7Rα-/-. La GVHD a été induite en transférant des lymphocytes T B6 réactifs aux cellules B6D2F1. Dans les souris contrôles, la PH des lymphocytes T CD4+ est maintenue. Par contre, la PH est absente dans les souris en GVHD malgré la présence d’une niche périphérique qui ne répond pas à l’IL-7. L’absence de PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD est associée à une diminution du nombre de DC. En utilisant un test de cytotoxicité in vivo nous démontrons que les DC B6 générées dans une hôte B6D2F1 sont éliminées par les lymphocytes T B6 alloréactifs. En conclusion, nos résultats démontrent que l’immunosuppression associée à la GVHD est en partie causée par une élimination des DC par les lymphocytes T allogéniques. Nous postulons donc que la perte des DC, et non la signalisation de l’IL-7 sur les DC, est le facteur limitant la PH des lymphocytes T CD4+ durant la GVHD. / Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (SCT) is an effective treatment for numerous types of haematological malignancies. However, graft-versus-host disease (GVHD) remains the major cause of morbidity and mortality following SCT. GVHD is associated with poor immune reconstitution and its adverse effect on T cell regeneration greatly exaggerates the immunodeficiency normally associated with SCT. As a result, patients experiencing GVHD present deficit in T cells that can last for several years. Our laboratory has demonstrated that elevated systemic IL-7 found during lymphopenia can interfere with the capacity of dendritic cells (DC) to support the homeostatic proliferation (HP) of CD4+ T cells. Since IL-7 levels are also elevated during GVHD, we hypothesized that IL-7 signaling in DC could also contribute to diminished T cell reconstitution in this setting. We used the well describe GVHD mouse model C57BL/6 (B6) into B6D2F1 to study the contribution of IL-7 signalling in DC on CD4+ T cell regeneration during GVHD. To regenerate a peripheral niche permissive for CD4+ T cells HP, we transplanted B6D2F1 mice with bone marrow (BM) from B6 IL-7Rα-/- mice. Finally, GVHD was induced with 1x106 of alloreactive B6 T cells. In control mice transplanted with IL-7Rα-/- BM cells, CD4+ T cells HP is efficiently supported. In contrast, CD4+ HP is completely abrogated in GVHD mice despite the presence of a peripheral niche that does not signal IL-7. Loss of CD4+ HP during GVHD was associated with diminished number of DC. Using an in vivo cytotoxic assay, we demonstrated that B6 DC can be eliminated by alloreactive B6 T cells when these cells developed into B6D2F1 hosts. In conclusion, our data demonstrates that the immunosuppression associated with GVHD is in part related to the elimination of donor-derived DC by donor alloreactive T cells. Therefore, we postulate that loss of DC, and not IL-7 signaling in DC, represents the limiting factor that contains CD4+ HP during GVHD.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (ASCT) est couramment utilisée pour traiter différents cancers hématologiques. Malheureusement, l’effet bénéfique de cette technique est limité par la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) qui demeure la cause principale de mortalité post-greffe. La GVHD endommage différents organes et retarde la reconstitution immunitaire des lymphocytes T (LT) ce qui augmente les risques d’infection et de rechute. Le développement de nouveaux traitements permettant d’accélérer la reconstitution immunitaire augmenterait donc les chances de survie des patients greffés. Il existe deux façons de régénérer des LT: via la thymopoïèse qui consiste à produire de nouveaux LT, ou par la prolifération homéostatique (PH) qui implique l’expansion rapide des LT matures retrouvés dans le greffon. La PH requiert deux signaux essentiels: l’interleukine-7 (IL-7) et la présentation d’antigènes du soi par les cellules dendritiques (DC) via le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) I pour les LT CD8+ et le CMH II pour les LT CD4+. Dans un contexte d’ASCT, la chimiothérapie et la GVHD endommagent le thymus rendant la thymopoïèse inefficace. Par conséquent, la reconstitution immunitaire repose presque entièrement sur la PH des LT. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment la GVHD affecte la reconstitution des LT. Grâce à un modèle murin, nous avons démontré que la PH des LT CD4+ est absente durant la GVHD et ce, dû à de faibles niveaux d’IL-7 et une diminution du nombre de DC. La perte des DC est en grande partie causée par des niveaux réduits de stromal derived factor-1α (SDF-1α) et par l’absence de progéniteurs de DC dans la moelle osseuse des souris en GVHD. Le traitement des souris en GVHD avec du SDF-1α permet d’augmenter le nombre de DC, et lorsqu’administré avec l’IL-7, améliore significativement la PH des LT CD4+. Contrairement aux LT CD4+, l’administration d’IL-7 seule est suffisante pour restaurer la PH des LT CD8+ durant la GVHD et ce, même en absence des DC. Ces différences s’expliquent pour deux raisons : 1) l’expression du CMH I, contrairement au CMH II, n’est pas limitée aux DC mais est également exprimée par les cellules stromales du receveur ce qui est suffisant pour induire la PH des LT CD8+ et 2) les LT CD8+ répondent à des concentrations plus faibles d’IL-7 systémique comparativement aux LT CD4+. En conclusion, l’ensemble de ces résultats permettra de mettre en place des études translationnelles sur le potentiel thérapeutique du SDF-1α et de l’IL-7 dans la reconstitution immunitaire des patients greffés. / Hematological cancers are currently treated with allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (ASCT). Unfortunately, graft-versus-host disease (GVHD) greatly limits the health benefits of this procedure, as it is the main cause of mortality post-ASCT. GVHD damages various organs and delays the immune reconstitution of T lymphocytes (TL), which increases the risk of infections and relapse. Thus, developing new treatments modulating the immune reconstitution following ASCT would greatly enhance survival of the transplanted patients. TL can be regenerated by two ways: de novo production of TL by thymopoiesis; or homeostatic proliferation (HP), which consists of rapidly expanding mature TL already present in the graft. HP requires two crucial signals: interleukin-7 (IL-7) and self-antigen presentation by dendritic cells (DC) via the major histocompatibility complex (MHC) I for CD8+ TL and MHC II for CD4+ TL. During ASCT however, chemotherapy and GVHD induce damage to the thymus making thymopoiesis inefficient, and thus immune reconstitution relies almost entirely on HP of TL. The objective of this thesis was to understand how GVHD affects TL reconstitution. Using a mouse model, we demonstrate that CD4+ TL fail to undergo HP when transferred in GVHD hosts due to low levels of IL-7 and reduced numbers of DCs. Moreover, the loss of DCs is mostly caused by reduced levels of Stromal Derived Factor-1 alpha (SDF-1α) and the absence of DC progenitors in the bone marrow of mice suffering from GVHD. Treating GVHD hosts with SDF-1α resulted in increased DC counts and, when administered in combination with IL-7, significantly improved HP of CD4+ TL. Unlike CD4+ TL, administration of IL-7 alone was sufficient to restore HP of CD8+ TL in GVHD mice and this, regardless of the presence of DCs. These differences could be explained by two reasons: 1) MHC I expression is not limited to DCs but is expressed by stromal cells from the recipient, which is sufficient to promote HP in CD8+ TL and 2) CD8+ TL respond to lower doses of systemic IL-7 in comparison to CD4+ TL. In conclusion, these results can lead to future translational studies on the therapeutic potential of SDF-1α and IL-7 in the immune reconstitution of grafted patients.

Das Knochenmark (BM) beherbergt wesentliche Komponenten des adaptiven Immunsystems, die einen langfristigen Schutz gegen wiederkehrende Pathogene vermitteln können, sodass es sich als Reservoir für ein immunologisches Gedächtnis qualifiziert. Neben langlebiger Antikörper-produzierender Plasmazellen bleiben auch Antigen (Ag)-spezifische CD8+ und CD4+ T-Gedächtniszellen dauerhaft im Knochenmark erhalten, auch wenn sie in den sekundären lymphoiden Organen (SLOs) und im Blut abwesend sind. Es wird angenommen, dass diese T-Gedächtniszellen bei erneutem Kontakt mit den gleichen systemischen Pathogenen schnell reagieren können. Allerdings sind die biologischen Mechanismen für ihre langfristige Aufrechterhaltung immer noch umstritten und demnach ungeklärt. Unklar ist auch, wie die T-Gedächtniszellen des Knochenmarks bei erneuter Konfrontation mit demselben Antigen reagieren. Hier wird dieser Frage begegnet, indem durch klassiche Immunisierung mit definieren Antigenen eine stabile Population Ag-spezifischer CD8+ und CD4+ T-Gedächtniszellen im Knochenmark erzeugt wird. / The bone marrow (BM) harbors critical components of the adaptive immune system being able to provide long-lasting protection against previously encountered pathogens, thus qualifying as a reservoir of immunological memory. In addition to long-lived antibody producing plasma cells, antigen (Ag)-specific CD8+ and CD4+ memory T lymphocytes are maintained long-term in the BM even when they are absent from secondary lymphoid organs (SLOs) and blood. Those memory T cells are thought to respond fast upon re-encounter of systemic pathogens. However, the biological mechanisms behind their long-term maintenance in the BM are still a matter of debate and thus remain unclear. Similarly, it is also unclear how the memory T cells of the BM react to antigenic re-challenge. Here we address these issues by generating a stable pool of Ag-specific CD8+ and CD4+ memory T lymphocytes in the BM by classical immunizations with defined antigens.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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