In vitro assay at evaluere virkningen af immunoregulerende Pathways på HIV-specifikke CD4 T-celle effektorfunktion
Summary
Vi udviklede en in vitro assay til at undersøge den rolle immunoregulatoriske veje i reguleringen af cytokinudskillelse af HIV-specifikke CD4 T-celler.
Abstract
T-celle udmattelse er en væsentlig faktor i mislykkedes patogen clearance under kroniske virusinfektioner. Immunregulatoriske veje, såsom PD-1 og IL-10, opreguleres på denne løbende antigen eksponering og bidrage til tab af proliferation, nedsat cytolytiske funktion, og forringet cytokinproduktion af CD4-og CD8-T-celler. I den murine model af LCMV-infektion, administration af blokerende antistoffer mod disse to veje augmented T-celle responser. Men der er i øjeblikket ingen in vitro assay til at måle virkningen af en sådan blokade på cytokinudskillelse i celler fra humane prøver. Vores protokol og eksperimenterende tilgang giver os mulighed for at præcist og effektivt kvantificere genoprettelse af cytokinproduktion af HIV-specifikke CD4 T-celler fra HIV-smittede forsøgspersoner.
Her har vi skildrer en in vitro eksperimentel design, der gør det muligt for målinger af cytokinudskillelse af HIV-specifikke CD4 T-celler og deres indvirkning på andre cell delmængder. CD8 T-celler blev depleteret fra fuldblod og de resterende PBMC'er blev isoleret via Ficoll separationsmetode. CD8-udtømte PBMC'er blev derefter inkuberet med blokerende antistoffer mod PD-L1-og / eller IL-10Rα og efter stimulering med en HIV-1 Gag-peptid pool, blev cellerne inkuberet ved 37 ° C, 5% CO2. Efter 48 timer, supernatanten blev opsamlet til cytokinanalyse af perler arrays og cellepellets opsamledes enten fænotypisk analyse ved anvendelse af flowcytometri eller transkriptionel analyse under anvendelse QRT-PCR. For mere detaljeret analyse blev forskellige cellepopulationer opnået ved selektiv delmængde udtømning fra PBMC'er eller ved at sortere ved hjælp af flowcytometri, før de vurderes på samme assays. Disse metoder giver en meget følsom og specifik metode til at bestemme modulering af cytokinproduktion af antigenspecifikke T-hjælper celler og bestemme funktionelle interaktioner mellem forskellige populationer af immunceller.
Introduction
Under vedvarende virusinfektioner, virus specifik T-celler erhverver funktionelle defekter i en proces kendt som T-celle udmattelse. Early in vivo-undersøgelser i den murine LCMV model af kronisk virusinfektion indikerede, at udtømte virus-specifikke T-celler har reduceret cytolytiske funktion mod virusinficerede celler mister deres evne til at formere sig og har reduceret evne til at producere cytokiner, såsom IL-2, TNF- α og IFN-γ 1,2. Et kompliceret net af immunregulatoriske veje, såsom PD-1 og IL-10, opreguleres under kroniske infektioner og bidrager til T-celle-dysfunktion (revideret i 3,4). In vivo administration af blokerende antistoffer mod disse inhiberende veje i LCMV mus model restaureret funktion af udtømte virus-specifikke T-celler og forøget viral clearance, hvilket indikerer, at T-celle-konsumption er et delvist reversibel fænomen (gennemgået i 5).
Resultater om the LCMV model blev hurtigt udvidet til humane kroniske virusinfektioner som HBV, HCV og HIV 5.. Ved kronisk HIV-1 infektion, er PD-1 og IL-10 veje opreguleret i smittede forsøgspersoner og korrelerer med parametre for sygdomsprogression, direkte med den virale belastning og omvendt med CD4-tal 6-8. Antistof blokade af PD-1 eller IL-10-veje in vitro restaureret proliferation af HIV-specifikke CD4-og CD8-T-celler tyder på, at, svarende til LCMV musemodel T-celle udmattelse hos mennesker er en delvist reversibel fænomen. Men på grund af den fine karakter af eksperimenter med humane prøver samt begrænsninger i følsomhed in vitro-assays, grundig undersøgelse af de funktionelle profiler restaurering opnået ved disse indgreb er påfaldende fraværende. Proliferationsassays har været hidtil det eneste pålidelige in vitro testet i de fleste undersøgelser assay, men der er en bemærkelsesværdig mangel på beviser om virkningen af disse interkonventioner om: 1) aflivning kapacitet af cytotoksiske T-celler, 2) den antivirale virkning af T-celler på viral replikation, 3) cytokinsekretion profil, og 4) effekten på CD4 T-celle hjælp på andre celledelmængder.
Intracellulær cytokin-farvning (ICS) er en meget nyttig og udbredt flowcytometri baseret assay, der anvendes til at påvise produktion af cytokiner i forskellige celletyper i både mus og mennesker. Det er også blevet anvendt til at undersøge effekten af antistof blokade af inhiberende veje. I ICS assays cytokinsekretion blokeret ved tilsætning af Brefeldin og / eller Monensin. Cytokiner fanget inde i cellerne påvises derefter med fluorescerende antistoffer under anvendelse af polykromatisk flowcytometri. Varigheden af assayet er normalt begrænset til 6 eller 12 timer efter antigenstimulering da både Brefeldin og monensin, som tilsættes typisk indenfor 2 timer af antigen Desuden er toksisk for cellerne. ICS-analysen er en kraftfuld teknik, der har været nyttigt in undersøgelse af effekten af in vivo-administration af blokerende antistof intervention i mus, hvor celler blev udtrukket efter en vis periode efter antistof eksponering 9. Der er dog flere begrænsninger for anvendelsen af denne eksperimenterende tilgang til at evaluere virkningen af blokade af hæmmende receptorer i humane prøver. Ved udførelse af antistof interventioner inhiberende veje i en 6 eller 12 timers stimulering in vitro (typisk tilfældet med humane prøver), er blokade af inhiberende receptorer i de fleste tilfælde ikke ændre frekvensen reagere antigenspecifikke T-celler som målt ved standard ICS assays 6, 7. Målinger af per-celle cytokinproduktion målt ved gennemsnit eller median fluorescensintensitet har givet inkonsistente resultater 6, 7, 10. På den anden side, når ICS udføres på et sent tidspunkt efter stimulering (dvs. seks dage), ændringer i antallet af cytokin-secernerende calen kan observeres. Forskellene er en kombineret effekt af ændret proliferation, overlevelse og ændringer i effektorfunktion, der ophobes i det angivne tidsrum 6. En måde at delvis overvinde disse begrænsninger er at inkubere i længere tid (fx 36 hr, 60 hr, osv.) Med antigenet før tilsætning af cytokinsekretion blocker uden at vente på proliferation at forekomme. Vi har med succes anvendt denne metode til at bestemme kinetikken af cytokinsekretion af HIV-specifikke CD4-og CD8-T-celler 11,12, men denne fremgangsmåde er ikke i stand til at detektere små reaktioner og vil ikke give en integreret resultat af den samlede cytokinsekretion forekommende eftersom stimulation. Derfor ICS er ikke følsomme nok til at registrere virkningen af blokade af inhiberende veje på mængden af cytokiner produceret af aktiverede T-celler sammenlignet med cytokin mRNA kvantificering eller målinger af cytokinsekretion i supernatant på samme tidspunkter. Derudover er de fleste af cytokinerne produceret af aktiverede T-celler virker i autokrin måde ved at bidrage til enten positiv eller negativ feedback loops gennem interaktion med antigenpræsenterende celler. Derfor tilsætning af Brefeldin eller Monensin under ICS assay forhindrer cytokinsekretion og dermed stimulering af T-celler ikke er optimal. Endelig er påvisning af multiple cytokiner med ICS begrænses af tilgængeligheden og følsomheden af antistoffer til påvisning af cytokiner med flowcytometri samt af begrænsninger i antallet af fluorochromer som kan anvendes samtidigt i et givet panel.
Vi udviklede en meget følsom in vitro eksperimenterende tilgang til at evaluere effekten af immunoregulatoriske veje i reguleringen cytokinudskillelse af HIV-specifikke CD4 T-celler og efterfølgende CD4 hjælp til at antigenpræsenterende celler (APC'er) og naturlige dræberceller (NK-celler). Denne metode kan også anvendes til at vurdere impact af blokade af hæmmende molekyler på CD8 T-celle funktion ved at nedbryde CD4 T-celler fra PBMC'er eller ved at stimulere med optimale peptider, der er anerkendt kun af CD8 T-celler. I modsætning til intracellulære cytokin farvningsteknikker assays, besluttede vi ikke at blande sig i cytokinudskillelse af HIV-specifikke CD4 T-celler for at være i stand til: 1) udføre en mere nøjagtig kvantificering af cytokinniveauer producerede, 2) undersøge et bredere panel af cytokiner eller effektor molekyler, og 3) evaluere virkningen af cytokiner produceret af HIV-specifikke CD4 T-celler på andre celledelmængder. Vi stimulerer CD8 udtømte PBMC'er med en HIV-1 Gag peptid pool i tilstedeværelse af blokerende antistoffer til immunregulatoriske vej af interesse. Efter den ønskede inkubationstid, sædvanligvis 48 timer, indsamler vi supernatanterne at måle cytokinsekretion med perle arrays og indsamle cellepellets enten til fænotypisk analyse af de forskellige celledelmængder eller for transkriptionel analyse. Af note, ved thans 48 timers tidspunkt, vi ikke påvise en signifikant population af prolifererende T-celler 12. Dette er en fleksibel tilgang og flere tilpasninger af dette design kan anvendes til at løse forskellige hypoteser. For eksempel kan de enkelte celledelmængder (såsom HIV-specifikke CD4-T-celler eller PD-1 høje CD4 T-celler, mv.) Sorteres efter 12 timers inkubation, før yderligere inkubation i 36 timer efterfulgt af indsamling af supernatanter og cellepellets at undersøge mere specifikt virkningen af blokade interventioner på cytokinudskillelse ved definerede subpopulationer af PBMC'er.
Protocol
Representative Results
Discussion
Supernatant samling er en afgørende del af denne eksperimentelle design. Når man høster supernatanterne til Luminex-assayet blev portioner fremstillet og opbevaret ved -80 ° C for at forhindre proteinnedbrydning på grund af fryse-tø cykler. Frysning og optøning kan være barske processer for proteiner, og ved at minimere fryse-smelter, vil signalet blive maksimeret i assays. Derfor er det lettere at opnå reproducerbar og mere nøjagtige data, når man arbejder portioner, der er fryse-optøet det samme antal gang…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Gordon Freeman for at give anti-PD-L1 blokerende antistof. Vi takker kliniske og laboratoriemæssige personale på Massachusetts General Hospital, og alle deltagerne for deres uvurderlig rolle i dette projekt undersøgelse.
Denne undersøgelse blev støttet af National Institute of Allergy og smitsomme sygdomme af National Institutes of Health (PA1 AI-080.192, DEK), National Heart Lung og Blood Institute of National Institutes of Health (RO1 HL-092.565, DEK). DEK er understøttet af en Research Scholar Career Award for Quebec Health Research Fund (FRQS). FP er understøttet af et stipendium fra Massachusetts General Hospital eksekutivkomité den forskning og Harvard Global Health Institute (HGHI).
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Hanks Balanced Salt Solution without Ca2+ or Mg2+ | Sigma | H9394 | |
| RPMI 1640 | Sigma | R0883 | |
| Histopaque-1077 | Sigma | 10771 | |
| Human Serum AB | Gemini BioProducts | 100-512 | |
| Penicillin/Streptomycin | Mediatech | 30 001 CI | |
| L-glutamine | Mediatech | 25 005 CI | |
| HEPES buffer | Mediatech | 25060CI | |
| FcR blocking reagent, human | Miltenyi | 130-059-901 | |
| RosetteSep Human CD8+ Depletion Cocktail | Stem Cell | 15663 | |
| LIVE/DEAD Fixable Dead Cell Stain Kit, for UV excitation | Invitrogen | L23105 | |
| Rneasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | |
| Improm-II Reverse Transcription System | Promega | A3800 | |
| Brilliant II SYBR qPCR Low Rox Master Mix | Agilent | 600830 | |
| BD Cytofix/Cytoperm Fixation/Permeabilization Solution Kit | BD | 554714 | |
| Tween-20 | Fisher | BP337100 | |
| IFN-γ primer | Invitrogen | FOR: CGAGATGACTTCGAAAAGCTGA REV: TCTTCGACCTCGAAACAGCA | |
| GAPDH primer | Invitrogen | FOR: TCATCATCTCTGCCCCCTCT REV: AGTGATGGCATGGACTGTGG |
Referências
- Zajac, A. J., et al. Viral immune evasion due to persistence of activated T cells without effector function. J. Exp. Med. 188, 2205-2213 (1998).
- Wherry, E. J., Blattman, J. N., Murali-Krishna, K., vander Most, R., Ahmed, R. Viral persistence alters CD8 T-cell immunodominance and tissue distribution and results in distinct stages of functional impairment. J. Virol. 77, 4911-4927 (2003).
- Kwon, D. S., Kaufmann, D. E. Protective and detrimental roles of IL-10 in HIV pathogenesis. Eur. Cytokine Netw. 21, 208-214 (2010).
- Porichis, F., Kaufmann, D. E. Role of PD-1 in HIV pathogenesis and as target for therapy. Curr. HIV/AIDS Rep. 9, 81-90 (2012).
- Wherry, E. J. T cell exhaustion. Nat. 12, 492-499 (2011).
- Trautmann, L., et al. Upregulation of PD-1 expression on HIV-specific CD8+ T cells leads to reversible immune dysfunction. Nat. Med. 12, 1198-1202 (2006).
- Day, C. L., et al. PD-1 expression on HIV-specific T cells is associated with T-cell exhaustion and disease progression. Nature. 443, 350-354 (2006).
- Brockman, M. A., et al. IL-10 is up-regulated in multiple cell types during viremic HIV infection and reversibly inhibits virus-specific T cells. Blood. 114, 346-356 (2009).
- Barber, D. L., et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 439, 682-687 (2006).
- Zhang, J. Y., et al. PD-1 up-regulation is correlated with HIV-specific memory CD8+ T-cell exhaustion in typical progressors but not in long-term nonprogressors. Blood. 109, 4671-4678 (2007).
- Ndhlovu, Z. M., et al. High-dimensional immunomonitoring models of HIV-1-specific CD8 T-cell responses accurately identify subjects achieving spontaneous viral control. Blood. 121, 801-811 (2013).
- Porichis, F., et al. Responsiveness of HIV-specific CD4 T cells to PD-1 blockade. Blood. 118, 965-974 (2011).
- Kwon, D. S., et al. CD4+ CD25+ regulatory T cells impair HIV-1-specific CD4 T cell responses by upregulating interleukin-10 production in monocytes. 86, 6586-6594 (2012).
