Summary

In vivo augmentation af Gut-homing regulerende T-celle induktion

Published: January 22, 2020
doi:

Summary

Her præsenterer vi en protokol for in vivo augmentation af Gut-homing regulatoriske T-celle induktion. I denne protokol er dendritiske celler konstrueret til lokalt at producere høje koncentrationer af det aktive vitamin D (1,25-dihydroxyvitamin D eller 1,25 [OH]2D) og den aktive vitamin a (RETINSYRE eller RA) de Novo.

Abstract

Inflammatorisk tarmsygdom (IBD) er en inflammatorisk kronisk sygdom i mave-tarmkanalen (GUT). I USA er der ca. 1.400.000 IBD-patienter. Det er almindeligt anerkendt, at en dysreguleret immunrespons på tarm bakterier initierer sygdommen og forstyrrer slimhinde epitelial barrieren. Vi har for nylig vist, at Gut-homing regulerende T (Treg) celler er en lovende behandling for IBD. Derfor indeholder denne artikel en protokol for in vivo augmentation af tarm-homing Treg celle induktion. I denne protokol er dendritiske celler konstrueret til at producere lokalt høje koncentrationer af to molekyler de Novo, aktiv vitamin D (1,25-dihydroxyvitamin D eller 1,25 [OH]2D) og aktiv vitamin a (retinsyre eller RA). Vi valgte 1,25 (OH)2d og RA baseret på tidligere resultater, der viser, at 1,25 (Oh)2d kan inducere ekspression af regulerende molekyler (f. eks. Forkhead box P3 og interleukin-10), og at RA kan stimulere ekspression af tarm-homing receptorer i T-celler. For at generere sådanne konstruerede dendritiske celler bruger vi en lentiviral vektor til at transduce dendritiske celler til at over udtrykke to gener. Et gen er cytochrom P450 familie 27 familien B medlem 1, der koder 25-hydroxyvitamin D 1α-hydroxylase, som fysiologisk katalyserer syntesen af 1,25 (Oh)2D. Det andet gen er aldehyd dehydrogenase 1 familiemedlem a2, der koder retinaldehyd dehydrogenase 2, som fysiologisk katalyserer syntesen af RA. Denne protokol kan anvendes til fremtidig undersøgelse af Gut-homing Treg celler in vivo.

Introduction

Inflammatorisk tarmsygdom (IBD) er en inflammatorisk kronisk sygdom i mave-tarmkanalen (GUT). I USA er der ca. 1.400.000 IBD-patienter. Det er almindeligt anerkendt, at en dysreguleret immunrespons på tarm bakterier initierer sygdommen og forstyrrer slimhinde epitelial barrieren1,2. Af denne grund, i øjeblikket tilgængelige U.S. Food and Drug Administration (FDA)-godkendte lægemidler hæmmer funktionerne af inflammatoriske mediatorer eller blokere homing af immunceller i tarmen. Men, de inflammatoriske mediatorer og immunceller, der er målrettet er også nødvendige for immunforsvaret. Som et resultat, de inflammatoriske mediator hæmmere kompromittere systemiske immunforsvar og immuncelle homing blokkere svække tarm immunforsvar, som begge kan føre til alvorlige konsekvenser3,4. Desuden kan immuncelle homing blokkere også blokere for homing af regulerende T (Treg) celler i tarmen og dermed kan forværre den allerede kompromitterede tarm immuntolerance i IBD patienter. Desuden kan blokering af Treg-celle homing i tarmen også føre til systemisk immunsuppression på grund af ophobning af Treg celler i blodet5. Endelig virker inhibitorer og blokkere forbigående og kræver dermed hyppige administrationer. Hyppig administration af disse hæmmere og blokkere kan yderligere forværre de uheldige bivirkninger.

For nylig foreslog vi en ny strategi, der potentielt kan afbøde eller endda eliminere bivirkningerne forbundet med nuværende lægemidler til IBD behandling6. Denne strategi forstærker induktion af tarm-homing Treg celler i perifert lymfevæv6. Rationalet bag denne strategi er, at Gut-homing Treg celler specifikt hjem til tarmen og dermed ikke vil kompromittere systemiske immunforsvar. Desuden, da treg celler kan potentielt danne hukommelse7,8, Gut-homing treg celler kan potentielt give en stabil kontrol af kronisk tarmbetændelse i IBD patienter og dermed, behandling bør ikke behøver at blive administreret så hyppigt. Da denne strategi desuden forstærker induktion af tarmationstreg-celler in vivo, er der ingen bekymring for in vivo-ustabilitet i et stærkt proinflammatorisk miljø, der er forbundet med adoptiv overførsel af in vitro-genererede treg-celler9,10. I denne henseende, in vitro genereret treg celler er en af de foreslåede strategier for behandling af autoimmune sygdomme11,12,13 og transplantation afvisning14,15. Endelig, i denne strategi, dendritiske celler (DCs) er konstrueret til at producere lokalt høje koncentrationer af to molekyler de Novo: aktiv vitamin D (1,25-dihydroxyvitamin D eller 1,25 [OH]2D) og aktive vitamin a (retinsyre eller RA). Vi valgte 1,25 (Oh)2d og RA fordi 1,25 (Oh)2d kan inducere ekspression af regulerende molekyler (f. eks, forkhead box P3 [foxp3] og interleukin-10 [Il-10])16,17 og at RA kan stimulere ekspression af Gut-homing receptorer i T-celler18. Fordi både 1,25 (Oh)2D og RA også kan tolerize DCS28,29, vi grunden til, at de konstruerede DCS vil være stabilt vedligeholdt i en tolerogenic status in vivo og dermed omgå in vivo ustabilitet bekymringer, der er forbundet med in vitro genereret tolerogenic DCS (toldcs)19,20,21. I denne henseende er toldc’er også en af de foreslåede strategier for in vivo augmentation af treg celle funktioner19,20,21. For at støtte vores ræsonnement, har vi vist, at de konstruerede DCs, ved in vivo levering, kan forøge induktion af Gut-homing Treg celler i perifert lymfoid væv6.

En yderligere fordel ved vores foreslåede strategi er, at 1,25 (OH)2D har også andre funktioner, der potentielt kan gavne IBD patienter. Disse andre funktioner omfatter evnen af 1,25 (OH)2D at stimulere udskillelsen af antimikrobielle stoffer22 og undertrykker carcinogenese23. Infektioner og kræft er ofte forbundet med IBD24,25.

For at generere de DCs, der kan producere lokalt høje koncentrationer af både 1,25 (OH)2D og RA de Novo, bruger vi en lentiviral vektor til at ingeniør DCS til at over udtrykke to gener. Et gen er cytochrom P450 familie 27 familien B medlem 1 (CYP27B1), der koder 25-hydroxyvitamin D 1α-hydroxylase (1α-hydroxylase), som fysiologisk katalyserer syntesen af 1,25 (Oh)2D. Det andet gen er aldehyd dehydrogenase 1 familiemedlem a2 (ALDH1a2), der koder retinaldehyd dehydrogenase 2 (RALDH2), som fysiologisk katalyserer syntesen af RA6.

Fordi in vivo augmentation af Gut-homing Treg celle induktion er potentielt vigtigt i behandlingen af IBD, i den følgende protokol vil vi detaljeret de procedurer for generering af de 1α-hydroxylase-RALDH2-overudtrykker DCs (DC-CYP-ALDH celler), der kan anvendes til den fremtidige undersøgelse af Gut-homing Treg celler in vivo.

Protocol

Alle in vivo dyreforsøg protokoller blev gennemgået og godkendt af Loma Linda University institutionel dyrepleje og brug udvalg (IACUC) samt Animal Care og use Review Office (ACURO) af den amerikanske hær medicinsk forskning og materiel Command (USAMRMC) af Forsvarsministeriet. 1. klargøring af lentivirus, der udtrykker både 1α-hydroxylase og RALDH2 (Lenti-CYP-ALDH-virus) Dag 0: i den tidlige morgen, forberede 5 x 105 celler/ml af 293T celler i cm-10-D cellekulturmed…

Representative Results

DC-CYP-ALDH-celler udtrykte signifikant øget mængde af 1α-hydroxylase. For at afgøre, om DC-CYP-ALDH-celler genereret fra Bmdc’er udtrykte en signifikant forøget mængde på 1α-hydroxylase, blev Bmdc’er transduceret med Lenti-CYP-ALDH-virus til at producere knoglemarv afledte DC-CYP-ALDH-celler (BMDC-CYP-ALDH-celler). Efterfølgende blev BMDC-CYP-ALDH-cellerne undersøgt for ekspression af 1α-hydroxylase af FACS. Vores data viste, at BMDC-CYP-ALDH-cellerne, sammenlignet med forældre-Bmdc’erne, vi…

Discussion

I denne artikel beskriver vi brugen af DC-CYP-ALDH celler, for at forstærke induktion af Gut-homing Treg celler i perifert lymfevæv. Vores data har vist, at DC-CYP-ALDH-cellerne kan syntetisere lokalt høje koncentrationer af de Novo af både 1,25 (OH)2D og RA in vitro i nærværelse af tilsvarende substrater (dvs. 25 [Oh] d og retinol, hhv.). Da tilstrækkelige blodkoncentrationer på 25 (Oh) D og retinol let kan opnås gennem d-vitamin og et tillægsspørgsmål til henholdsvis patienter med mangler<sup cla…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af Kontoret for den assisterende forsvarsminister for Sundhedsanliggender gennem peer reviewed medicinsk forskning program under Award No. W81XWH-15-1-0240 (XT). Meninger, fortolkninger, konklusioner, og anbefalinger er dem af forfatteren og er ikke nødvendigvis godkendt af Department of Defense. Dette arbejde blev også delvist understøttet af forsknings innovations stipendier fra Institut for medicin på Loma Linda University (681207-2967 [XT og GG], 681205-2967 [XT] og 325491 [DJB]).

Materials

10 mL syringes ThermoFisher Scientific Cat# 03-377-23
100 mm x 20 mm culture dishes Sigma-Aldrich Cat# CLS430167
12-well culture plates ThermoFisher Scientific Cat# 07-200-82
150 mm x 25 mm culture dishes Sigma-Aldrich Cat# CLS430559
25-hydroxycholecalciferol (25[OH]D) Sigma-Aldrich Cat# H4014
293T cells ATCC CRL-3216
2-mercaptoethanol ThermoFisher Scientific Cat#: 21985023
6-well culture plates ThermoFisher Scientific Cat# 07-200-83
ALDEFLUOR kit Stemcell Technologies Cat# 01700
Anti-CYP27B1 Abcam Cat# ab95047
BD FACSAria II BD Biosciences N/A
CaCl2 Sigma-Aldrich Cat# C1016
CM-10-D cell culture medium DMEM medium containing 10% fetal bovine serum (FBS), 100 U/ml penicillin/streptomycin, 0.055 mM 2-mercaptoethanol (2-ME), 1 mM sodium pyruvate, 0.1 mM nonessential amino acid, and 2 mM L-glutamine.
CM-10-R cell culture medium RPMI 1640 medium (no glutamine) containing 10% fetal bovine serum (FBS), 100 U/ml penicillin/streptomycin, 0.055 mM 2-mercaptoethanol (2-ME), 1 mM sodium pyruvate, 0.1 mM nonessential amino acid, and 2 mM L-glutamine.
CM-4-D cell culture medium DMEM medium containing 4% fetal bovine serum (FBS), 100 U/ml penicillin/streptomycin, 0.055 mM 2-mercaptoethanol (2-ME), 1 mM sodium pyruvate, 0.1 mM nonessential amino acid, and 2 mM L-glutamine.
Corning bottle-top vacuum filters, 0.22 mM, 500 mL Sigma-Aldrich Cat# CLS430513
Corning bottle-top vacuum filters, 0.45 mM, 500 mL Sigma-Aldrich Cat# CLS430514
Dissecting scissor ThermoFisher Scientific Cat# 08-940
DMEM medium ThermoFisher Scientific Cat# 11960044
Fetal bovine serum ThermoFisher Scientific Cat# 16000044
Forceps ThermoFisher Scientific Cat# 22-327379
Gibco ACK lysing buffer ThermoFisher Scientific Cat# A1049201
Glycerol Sigma-Aldrich Cat# G5516
Goat anti-rabbit IgG Abcam Cat# ab205718
HEPES Millipore Cat# 391340
Lenti-CYP-ALDH Custom-made 1.6-kb mouse CYP27B1 and ALDH1a2 cDNAs were amplified by PCR using a plasmid containing the CYP27B1 cDNA and a plasmid containing the ALDH1a2 cDNA respectively (GeneCopoeia). The amplified CYP27B1 cDNA fragment with a 5' KOZAK ribosome entry sequence was cloned into the pRRL-SIN.cPPt.PGKGFP.WPRE lentiviral vector (Addgene). The resulting construct was designated as lenti-CYP-GFP. The amplified ALDH1a2 cDNA fragment was cloned into the lenti-CYP-GFP to replace the GFP and was designated as lenti-CYP-ALDH. This bicistronic plasmid expresses CYP27B1 controlled by SFFV promoter and ALDH1a2 controlled by PGK promoter.
L-glutamine ThermoFisher Scientific Cat#25030081
Lipopolysaccharide Sigma-Aldrich Cat# L3755
Murine GM-CSF Peprotech Cat# 315-03
Murine IL-4 Peprotech Cat# 214-14
Na2HPO4 Sigma-Aldrich Cat# NIST2186II
NaCl Sigma-Aldrich Cat# S9888
Needles ThermoFisher Scientific Cat# 14-841-02
Nonessential Amino Acids ThermoFisher Scientific Cat#: 11140076
pCMVR8.74 Addgene Plasmid# 22036
Penicillin/Streptomycin ThermoFisher Scientific Cat#15140148
Phoshate Balanced Solution (PBS) ThermoFisher Scientific Cat#: 20012027
PMD2G Addgene Plasmid# 12259
Polypropylene tube, 15 mL ThermoFisher Scientific Cat# AM12500
Polypropylene tube, 50 mL ThermoFisher Scientific Cat# AM12502
Protamine sulfate Sigma-Aldrich Cat# P3369
Rabbit polycloncal IgG isotype control Abcam Cat# ab171870
Radioimmunoassay for 1,25(OH)2D measurement Heartland Assays
RPMI 1640 medium, no glutamine ThermoFisher Scientific Cat# 21870076
Sodium pyruvat ThermoFisher Scientific Cat#: 11360070
Sorvall Legend XTR Centrifuge ThermoFisher Scientific Cat# 75004521
Sterile Cell strainers, 40 mm ThermoFisher Scientific Cat# 07-201-430
Sterile storage bottles, 500 mL ThermoFisher Scientific Cat# CLS431432

References

  1. Abraham, C., Cho, J. H. Inflammatory bowel disease. New England Journal of Medicine. 361 (21), 2066-2078 (2009).
  2. Kaser, A., Zeissig, S., Blumberg, R. S. Inflammatory bowel disease. Annual Reviews in Immunology. 28, 573-621 (2010).
  3. Clifford, D. B., et al. Natalizumab-associated progressive multifocal leukoencephalopathy in patients with multiple sclerosis: lessons from 28 cases. Lancet Neurology. 9 (4), 438-446 (2010).
  4. Linda, H., et al. Progressive multifocal leukoencephalopathy after natalizumab monotherapy. New England Journal of Medicine. 361 (11), 1081-1087 (2009).
  5. Fischer, A., et al. Differential effects of alpha4beta7 and GPR15 on homing of effector and regulatory T cells from patients with UC to the inflamed gut in vivo. Gut. 65 (10), 1642-1664 (2016).
  6. Xu, Y., et al. In Vivo Generation of Gut-Homing Regulatory T Cells for the Suppression of Colitis. Journal of Immunology. 202 (12), 3447-3457 (2019).
  7. Rosenblum, M. D., Way, S. S., Abbas, A. K. Regulatory T cell memory. Nature Reviews Immunology. 16 (2), 90-101 (2016).
  8. Grimm, A. J., Kontos, S., Diaceri, G., Quaglia-Thermes, X., Hubbell, J. A. Memory of tolerance and induction of regulatory T cells by erythrocyte-targeted antigens. Science Report. 5, 15907 (2015).
  9. Kim, H. J., et al. Stable inhibitory activity of regulatory T cells requires the transcription factor Helios. Science. 350 (6258), 334-339 (2015).
  10. Bhela, S., et al. The Plasticity and Stability of Regulatory T Cells during Viral-Induced Inflammatory Lesions. Journal of Immunology. 199 (4), 1342-1352 (2017).
  11. Bluestone, J. A., et al. Type 1 diabetes immunotherapy using polyclonal regulatory T cells. Science Translational Medicine. 7 (315), (2015).
  12. Marek-Trzonkowska, N., et al. Therapy of type 1 diabetes with CD4(+)CD25(high)CD127-regulatory T cells prolongs survival of pancreatic islets – results of one year follow-up. Clinical Immunology. 153 (1), 23-30 (2014).
  13. Desreumaux, P., et al. Safety and efficacy of antigen-specific regulatory T-cell therapy for patients with refractory Crohn’s disease. Gastroenterology. 143 (5), 1201-1202 (2012).
  14. Di Ianni, M., et al. Tregs prevent GVHD and promote immune reconstitution in HLA-haploidentical transplantation. Blood. 117 (14), 3921-3928 (2011).
  15. Brunstein, C. G., et al. Infusion of ex vivo expanded T regulatory cells in adults transplanted with umbilical cord blood: safety profile and detection kinetics. Blood. 117 (3), 1061-1070 (2011).
  16. Kang, S. W., et al. 1,25-Dihyroxyvitamin D3 promotes FOXP3 expression via binding to vitamin D response elements in its conserved noncoding sequence region. Journal of Immunology. 188 (11), 5276-5282 (2012).
  17. Correale, J., Ysrraelit, M. C., Gaitan, M. I. Immunomodulatory effects of Vitamin D in multiple sclerosis. Brain. 132, 1146-1160 (2009).
  18. Iwata, M., et al. Retinoic acid imprints gut-homing specificity on T cells. Immunity. 21 (4), 527-538 (2004).
  19. Steinman, R. M., Banchereau, J. Taking dendritic cells into medicine. Nature. 449 (7161), 419-426 (2007).
  20. Vicente-Suarez, I., Brayer, J., Villagra, A., Cheng, F., Sotomayor, E. M. TLR5 ligation by flagellin converts tolerogenic dendritic cells into activating antigen-presenting cells that preferentially induce T-helper 1 responses. Immunology Letters. 125 (2), 114-118 (2009).
  21. Danova, K., et al. NF-kappaB, p38 MAPK, ERK1/2, mTOR, STAT3 and increased glycolysis regulate stability of paricalcitol/dexamethasone-generated tolerogenic dendritic cells in the inflammatory environment. Oncotarget. 6 (16), 14123-14138 (2015).
  22. Liu, P. T., et al. Toll-like receptor triggering of a vitamin D-mediated human antimicrobial response. Science. 311 (5768), 1770-1773 (2006).
  23. Cao, H., et al. Application of vitamin D and vitamin D analogs in acute myelogenous leukemia. Experimental Hematology. 50, 1-12 (2017).
  24. Anderson, A., et al. Lasting Impact of Clostridium difficile Infection in Inflammatory Bowel Disease: A Propensity Score Matched Analysis. Inflammatory Bowel Disease. 23 (12), 2180-2188 (2017).
  25. Tsai, J. H., et al. Association of Aneuploidy and Flat Dysplasia With Development of High-Grade Dysplasia or Colorectal Cancer in Patients With Inflammatory Bowel Disease. Gastroenterology. 153 (6), 1492-1495 (2017).
  26. Lee, H. W., et al. Tracking of dendritic cell migration into lymph nodes using molecular imaging with sodium iodide symporter and enhanced firefly luciferase genes. Science Reports. 5, 9865 (2015).
  27. Shen, Z., Reznikoff, G., Dranoff, G., Rock, K. L. Cloned dendritic cells can present exogenous antigens on both MHC class I and class II molecules. Journal of Immunology. 158 (6), 2723-2730 (1997).
  28. Okada, N., et al. Administration route-dependent vaccine efficiency of murine dendritic cells pulsed with antigens. British Journal of Cancer. 84 (11), 1564-1570 (2001).
  29. Li, C. H., et al. Dendritic cells, engineered to overexpress 25-hydroxyvitamin D 1alpha-hydroxylase and pulsed with a myelin antigen, provide myelin-specific suppression of ongoing experimental allergic encephalomyelitis. FASEB J. , (2017).
  30. Narula, N., et al. Impact of High-Dose Vitamin D3 Supplementation in Patients with Crohn’s Disease in Remission: A Pilot Randomized Double-Blind Controlled Study. Digestive Disease Science. 62 (2), 448-455 (2017).
  31. Ahmad, S. M., et al. Vitamin A Supplementation during Pregnancy Enhances Pandemic H1N1 Vaccine Response in Mothers, but Enhancement of Transplacental Antibody Transfer May Depend on When Mothers Are Vaccinated during Pregnancy. Journal of Nutrition. 148 (12), 1968-1975 (2018).
  32. Noronha, S. M. R., et al. Aldefluor protocol to sort keratinocytes stem cells from skin. Acta Cirurgica Brasileira. 32 (11), 984-994 (2017).
  33. Ferreira, G. B., et al. Vitamin D3 Induces Tolerance in Human Dendritic Cells by Activation of Intracellular Metabolic Pathways. Cell Reports. 10 (5), 711-725 (2015).
  34. Bakdash, G., Vogelpoel, L. T., van Capel, T. M., Kapsenberg, M. L., de Jong, E. C. Retinoic acid primes human dendritic cells to induce gut-homing, IL-10-producing regulatory T cells. Mucosal Immunology. 8 (2), 265-278 (2015).
check_url/kr/60585?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Bi, H., Wasnik, S., Baylink, D. J., Liu, C., Tang, X. In Vivo Augmentation of Gut-Homing Regulatory T Cell Induction. J. Vis. Exp. (155), e60585, doi:10.3791/60585 (2020).

View Video