Anthrax Vaccine Adsorbed (AVA) immunization protects against anthrax disease by eliciting a neutralizing antibody response. However, antigen-specific antibody concentrations are not observed in high quantities until three immunizations have been administered over six months. Even then, humoral responses to AVA do not provide long-term immunity without an annual booster. We followed six healthy volunteers over the five-dose, 18-month AVA schedule to characterize the genetics of the immunoglobulin repertoire during the vaccination series. Two tiers of data were collected: 1) Immunoglobulin variable region genes (IgVRG) from bulk sorted naïve, memory and plasmablast (PB) B cells and 2) single cell sorted and sequenced IgVRG from plasmablasts. Samples were collected prior to and one and two weeks following each immunization. Our initial analyses indicated that technical error, the variation introduced by biological sampling and standard sample preparation, resulted in skewed output, and we developed a model to better estimate quantitative values from Ig-seq. We also utilized unique molecular identifiers to correct for nucleotide errors and PCR over-amplification. Our analysis of IgVRG following AVA administration reveals that the population of peripheral PBs following primary immunization is not distinguishable from the pre-immune peripheral PB repertoire. These PBs have more somatic mutations than expected for newly activated and differentiated naïve B cells, and are unlikely to be vaccine-elicited. In contrast, PBs observed following the 2nd dose have low mutation frequencies that increase upon subsequent vaccination. These clones are more persistent than clones first observed following any other immunization, but still make up a very small proportion of the overall repertoire. At no time is the clonal repertoire consistently dominated by a few clones, and the total and plasmablast repertoires are highly transient, even after the elicitation of vaccine-specific antibodies. AVA immunization thus results in a polyclonal B cell response which is not dominated by one or a few highly specific, strongly-elicited clones. We conclude that primary immunization by AVA is not sufficiently immunogenic to elicit vaccine-responsive, class-switched PBs to the periphery, nor is complete AVA immunization able to sustain proliferation of individual clones, providing insight into why AVA may require regular boosts.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第12871号 / 論医博第2087号 / 新制||医||1006(附属図書館) / 31589 / 北海道大学大学院医学研究科臨床医学コース / (主査)教授 三森 経世, 教授 長澤 丘司, 教授 河野 憲二 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Gedächtnis-B-Zellen und Plasmazellen sind essentielle Komponenten der protektiven Immunität. Die Mechanismen ihrer Induktion, ihres Überlebens und der Gedächtnis-B-Zellreaktivierung sind allerding bisher nur unvollständig verstanden. Um unser Wissen diesbezüglich zu erweitern, wurden in der vorliegenden Arbeit zum einen Charakteristika von Primär- und Sekundärimmunantworten nach Immunisierung mit Keyhole Limpet Hemocyanin (KLH) untersucht und zum anderen das Vorkommen sowie der Phänotyp humaner Gedächtnis-B-Zellen in verschiedenen lymphatischen Geweben analysiert. Die primäre parenterale KLH Immunisierung führte auf serologischer und zellulärer Ebene zu einer Reihe unerwarteter Ergebnisse, welche u. a. das Auftreten von IgA Antikörpern und die gleichzeitige Präsenz von hoch- und wenig mutierten primären Plasmablasten beinhalteten. Die Untersuchung der Gedächtnis-B-Zellverteilung in verschiedenen lymphatischen Geweben ergab den größten Gedächtnis-B-Zellpool in der Milz. Blut-, Tonsillen-, Knochenmarks- und Milz-Gedächtnis-B-Zellen wiesen nur wenige phänotypische Unterschiede auf. Einer davon war die CD69 Expression auf tonsillären ruhenden Gedächtnis-B-Zellen, was darauf hindeutet, dass tonsilläre Gedächtnis-B-Zellen tatsächlich sessil sein könnten. Die hier erhaltenen Ergebnisse stellen neue Erkenntnisse über bisher unbeschriebene Mechanismen bei parenteralen Immunantworten wie zum Beispiel die Induktion von IgA Antikörpern sowie die potentielle Rekrutierung kreuzreaktiver Gedächtnis-B-Zellen dar. Es bleibt zu klären, wie die Reaktivierung solcher Gedächtnis-B-Zellen reguliert ist. Derartiges Wissen wäre insbesondere für Therapien von Erkrankungen des Immunsystems, wie Autoimmunität, von Bedeutung. Das potentiell patrouillierende Verhalten der Gedächtnis-B-Zellen ist ein markanter Unterschied zu den nischenabhängigen sessilen Plasmazellen und deutet weitestgehend darauf hin, dass Gedächtnis-B-Zellen nicht auf derartige Nischen angewiesen sind. / Memory B cells (mBC) and antibodies are major mediators of protective immune responses yet the mechanisms of their induction, maintenance and mBC reactivation are poorly understood. Therefore, to enhance knowledge in this regard this study comprehensively characterized a human primary and secondary B cell immune response to Keyhole Limpet Hemocyanin (KLH). Secondly, mBC maintenance was investigated by a systematic analysis of mBC presence, frequency and phenotype within different lymphoid organs. Parenteral primary KLH immunization yielded unexpected results on the serological and B cellular level, including KLH-specific IgA antibody induction, the simultaneous presence of low and highly mutated circulating KLH-specific primary plasmablasts and only little clonal overlap between the primary, memory and secondary KLH-specific B cell repertoires. With respect to the organ distribution of human mBC, the spleen was identified as a major mBC reservoir. Splenic, tonsillar, bone marrow and blood mBC pools exhibited a largely comparable phenotype. Yet, we found tonsillar mBC to express CD69. Due to their resting state tonsillar mBC could therefore constitute a tissue resident cell population. The observations described allow insights into hitherto unknown potential mechanisms behind primary immune responses, i.e. prominent IgA induction by parenteral challenge and inclusion of cross-reactive mBC. The so far unclear regulatory players involved deserve future investigation, as such knowledge may be crucial for therapeutic interventions in immune system disorders. Furthermore, strikingly different to the resident plasma cells in the bone marrow, mBC appear to distribute between lymphoid organs and continuously recirculate in peripheral blood indicative of their potential permanent screening activities, suggesting that human mBC do not require one dedicated niche for their principle survival.

Plasmazellen gehören zu den Effektorzellen des adaptiven Immunsystems. Langlebige Plasmazellen tragen durch kontinuierliche Sekretion protektiver Antikörper wesentlich zum humoralen Gedächtnis bei und überleben hauptsächlich in spezialisierten Nischen des Knochenmarks. Bislang ist jedoch kein Marker bekannt, mit dessen Hilfe langlebige Plasmazellen eindeutig identifiziert werden können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der molekularbiologischen, phänotypischen und funktionellen Charakterisierung von reifen Plasmazellen im gesunden humanen Knochenmark, die sich durch die differentielle Expression von CD19 unterscheiden. Dabei konnte festgestellt werden, dass CD19negative Plasmazellen durch eine vergleichsweise geringere Expression von CD45 und HLADR einen höheren Reifegrad aufweisen als CD19positive Plasmazellen. Zudem lässt die vermehrte Expression von CD28, Mcl1, Bcl2 sowie die schwächere Expression u.a. von CD95 darauf schließen, dass CD19negative Plasmazellen im Knochenmark eine bessere Überlebenskapazität besitzen als CD19positive Plasmazellen. Da beide Plasmazellpopulationen ähnliche Antigen-Spezifitäten aufweisen, Plasmazellen im Knochenmark von Säuglingen ausschließlich CD19 exprimieren und nach sekundärer Vakzinierung im Blut detektierbare Plasmablasten und Plasmazellen ebenfalls CD19 auf ihrer Oberfläche exprimieren, weist die Gesamtheit der Daten darauf hin, dass sich CD19negative Plasmazellen im Kindesalter in situ aus reifen CD19positiven Plasmazellen im Knochenmark entwickeln. Die CD19negative Plasmazellpopulation leistet durch hohe Halbwertszeit und Stabilität einen konstanten Beitrag zur Aufrechterhaltung des humoralen Gedächtnisses. Die CD19positive Plasmazellpopulation stellt hingegen eine flexible Komponente dar, die eine Anpassung der humoralen Immunität und des humoralen Gedächtnisses an aktuelle Herausforderungen auch im Erwachsenenalter ermöglicht. / Plasma cells are effector cells of the adaptive immune system. Humoral memory is sustained by long-lived plasma cells that continuously secrete protective antibodies and mostly reside in specialized niches in the bone marrow. So far, no marker is known that could distinguish long-lived plasma cells from short-lived ones. The present work addresses the biomolecular, phenotypical and functional characterization of mature plasma cells in healthy human bone marrow that differ in their expression of the surface marker CD19. CD19negative plasma cells showed higher maturity than CD19positive plasma cells as they expressed lesser amounts of CD45 and HLADR. Moreover, higher expression of CD28, Mcl1 and Bcl2 and lesser expression of CD95 argues for a better survival capacity of CD19negative plasma cells. Both plasma cell populations showed similar antigen specificities. All plasmablasts and plasma cells detectable in blood after secondary vaccination expressed CD19, as well as all plasma cells isolated from infant bone marrow. These results indicate that CD19negative plasma cells mainly develop during childhood by further differentiation of mature CD19positive plasma cells in situ in the bone marrow. CD19negative plasma cells represent a long-lived and stable component of the adaptive immune system and humoral memory, whereas the CD19positive plasma cell population displays a flexible element allowing for adaption of humoral immunity to new challenges throughout a lifetime.

Das humorale Immungedächtnis wird von reifen Plasmazellen des Knochenmarks vermittelt, welche bei Immunreaktionen aus aktivierten B-Lymphozyten gebildet werden. Dabei sind im Blut Plasmablasten als unmittelbare Vorläufer der Plasmazellen nachweisbar, die von dort aus in das Knochenmark einwandern. Anhand der durchflusszytometrischen Detektion spezifischer Plasmablasten gelang es hier, das simultane Auftauchen von Wellen neu generierter, migratorischer Plasmablasten und reifer, nicht-migratorischer Plasmazellen im Blut eine Woche nach einer Tetanusimpfung nachzuweisen. Plasmablasten und Plasmazellen lagen stets im Gleichgewicht vor, wodurch auf die stöchiometrische Mobilisierung reifer Plasmazellen des Knochenmarks durch systemisch induzierte Plasmablasten geschlossen wurde. Ein solcher Verdrängungsmechanismus wird hier erstmalig als Anpassungsmechanismus des humoralen Immungedächtnisses dargestellt, der die Aufnahme neuer Spezifitäten in das Gedächtnis unter Wahrung der Stabilität präexistierender Spezifitäten erlaubt. Anders als systemisch induzierte Plasmablasten, weisen Plasmablasten, die im immunologischen Ruhephase zirkulieren, Kennzeichen mukosaler Immunreaktionen auf: sie exprimieren IgA sowie die mukosalen Zellmigrationsrezeptoren alpha4beta7-Integrin und CCR10. Wahrscheinlich wandern sie in mukosale Plasmazelldepots ein und interferieren nicht mit den Plasmazellen des Knochenmarks, sodass die Stabilität des humoralen Gedächtnisses in der Ruhephase gewahrt bleibt. Eine Anpassung des humoralen Gedächtnisses findet somit nur im Rahmen systemischer Immunreaktionen statt. Bei splenektomierten Patienten und unter der B-Zell-Depletionstherapie bei Rheumapatienten bleiben mukosale Plasmablasten im Blut nachweisbar. Dies belegt deren autonome Bildung aus mukosalen, therapie-refraktären B-Zellen. Insgesamt wird hier eine bisher unbeachtete Komplexität menschlicher peripherer Plasmablasten und Plasmazellen und ihren Beziehungen zum humoralen Immungedächtnis dargestellt. / Humoral memory, i.e. persistence of specific antibody titers, is provided by plasma cells in the bone marrow, which are generated from activated B cells during immune responses. At this, immediate plasma cell precursors, the plasmablasts, migrate via the blood to the bone marrow. Using cytometric detection of antigen-specific plasmablasts, synchronous circulation of waves of recently generated, migratory plasmablasts and non migratory plasma cells with a mature phenotype was demonstrated one week after tetanus vaccination. Circulating plasmablast and plasma cell numbers were always in homeostasis, so that the stoichiometric mobilization of old bone marrow plasma cells by recently generated plasmablasts was hypothesized. This plasma cell replacement mechanism is herein described for the first time as an adaption mechanism of the humoral memory that allows incorporation of new antibody specificities while maintaining pre-existing ones. In immunological steady state, very low numbers of plasmablasts are detectable in any donor. These express IgA and receptors for mucosal homing, alpha4beta7 integrin and CCR10, and therefore most likely migrate into mucosal plasma cell depots and do not interfere with plasma cells of the bone marrow, preserving the stability of humoral memory during steady state. Hence, adaption of humoral memory is only possible during systemic immune reactions. Circulating mucosal plasmablasts produced during steady state remain detectable in patients with rheumatoid arthritis during B cell depletion therapy as well as in asplenic patients. Hence, this type of plasmablasts is self-sufficiently generated from mucosal B cells that are refractory to B cell depletion therapy. This work demonstrates a hitherto disregarded complexity of peripheral plasmablast and plasma cell subsets in healthy humans, with implications for the regulation of induction and maintenance of humoral memory.