Génération de cellules T humaines allo-spécifiques du sang périphérique
Summary
This article describes a method for the generation and propagation of human T cell clones that specifically respond to a defined alloantigen. This protocol can be adapted for cloning human T cells specific for a variety of peptide-MHC ligands.
Abstract
The study of human T lymphocyte biology often involves examination of responses to activating ligands. T cells recognize and respond to processed peptide antigens presented by MHC (human ortholog HLA) molecules through the T cell receptor (TCR) in a highly sensitive and specific manner. While the primary function of T cells is to mediate protective immune responses to foreign antigens presented by self-MHC, T cells respond robustly to antigenic differences in allogeneic tissues. T cell responses to alloantigens can be described as either direct or indirect alloreactivity. In alloreactivity, the T cell responds through highly specific recognition of both the presented peptide and the MHC molecule. The robust oligoclonal response of T cells to allogeneic stimulation reflects the large number of potentially stimulatory alloantigens present in allogeneic tissues. While the breadth of alloreactive T cell responses is an important factor in initiating and mediating the pathology associated with biologically-relevant alloreactive responses such as graft versus host disease and allograft rejection, it can preclude analysis of T cell responses to allogeneic ligands. To this end, this protocol describes a method for generating alloreactive T cells from naive human peripheral blood leukocytes (PBL) that respond to known peptide-MHC (pMHC) alloantigens. The protocol applies pMHC multimer labeling, magnetic bead enrichment and flow cytometry to single cell in vitro culture methods for the generation of alloantigen-specific T cell clones. This enables studies of the biochemistry and function of T cells responding to allogeneic stimulation.
Introduction
Les lymphocytes T sont des composantes essentielles du système immunitaire adaptatif. Les cellules T sont responsables de la médiation directement non seulement des réponses immunitaires protectrices à des agents pathogènes à travers une variété de mécanismes effecteurs, mais également le maintien activement auto-tolérance immunologique et diriger les réponses des autres cellules dans le système immunitaire. Ces fonctions sont dirigés à travers un certain nombre de signaux intégrés, y compris des récepteurs de cellule T (TCR) ligature, les cytokines et les chimiokines, et les métabolites 1. Parmi ces signaux, le TCR est d'une importance particulière, car il fournit la spécificité caractéristique qui définit le rôle de la cellule T dans l'immunité adaptative. Un TCR interagit avec les antigènes peptidiques linéaires présentés par le CMH (HLA de orthologue humain) molécules (complexes de pMHC) d'une manière hautement spécifique et sensible pour fournir les signaux qui déclenchent la fonction T effectrice des cellules. Les paramètres biochimiques des interactions TCR avec des ligands PMHC fournissent non seulement la spécificité de Tl'activation des cellules, mais aussi avoir un impact qualitatif sur la fonction des cellules T ultérieur 2. Ainsi, l'étude de la fonction des cellules T nécessite souvent l'examen des réponses de lymphocytes T clonaux ayant une spécificité antigénique déterminée.
Le compartiment des cellules T humaines, contenant environ 10 12 cellules T αβ, contient environ 7 octobre au 8 octobre αβTCRs distinctes 3-4. Ce répertoire très diversifié offre la possibilité de reconnaissance de la vaste gamme de peptides de pathogènes potentiels qui nécessiterait une réponse des cellules T à une immunité protectrice. On estime que la fréquence de la réponse des cellules T à un antigène étranger présenté donné par auto-MHC est de l'ordre de 10 -4 à 10 -7 en l'absence de réponse immunitaire à cet antigène avant 5. Le répertoire des lymphocytes T naïfs est formée par sélection thymique à assurer la capacité de reconnaître des auto-antigènes MHC de présentation de peptides et de limite réagissentivité contre les antigènes auto-peptide, la maximisation de l'utilité potentielle de la médiation de l'immunité protectrice 2. Cependant, en violation de cette réactivité conçu, une fréquence relativement importante, 10 -3 à 10 -4, de cellules T d'individus immunologiquement naïfs répondre à une stimulation avec des cellules allogéniques, reconnaissant à la fois les molécules du CMH étrangers ainsi que les peptides endogènes qu'ils présentent 6. La reconnaissance de ligands PMHC allogéniques est structurellement similaire à la reconnaissance d'antigènes étrangers présentés par CMH du soi; du TCR permet d'interactions biochimiques essentiels à la fois avec la molécule MHC allogénique aussi bien que le peptide présenté 7. La robustesse de la réponse des cellules T aux résultats de stimulation allogéniques de la diversité de complexes de pMHC présent sur la surface des cellules allogéniques 8. On estime que chaque CMH présente à environ 2 x 10 4 différents antigènes peptidiques endogènes 9. Ce breadth de réponse à une stimulation allogénique est un aspect important de la pathologie cliniquement pertinentes, telles que le rejet d'allogreffe ou la réaction du greffon contre l'hôte (GVHD), résultant de T alloréactivité cellulaire.
Étude de cellules T réponses alloréactives humaines a toujours compté sur l'examen des réponses polyclonaux de cellules T naïves après stimulation avec des cellules allogéniques. Stimulation répétée avec la même lignée cellulaire allogénique combiné avec dilution limitante analyse est capable de générer des cellules T clonales de reconnaissance définis allogénique HLA de 10. Cependant, cette approche est problématique pour examiner les réponses aux différents ligands PMHC allogéniques, comme le répertoire vaste et diversifié de endogène pMHC complexes présente un allogénique HLA donné stimule un large répertoire de cellules T. Cette stimulation de la population en vrac et en limitant approche de dilution, il faudrait dépistage d'un grand nombre de clones pour isoler les cellules T avec la Reacti souhaitéevité contre un seul ligand pMHC. En outre, la fréquence des cellules T répondant à un ligand pMHC allogénique individu est relativement faible chez les populations de cellules T naïves, qui présente un obstacle à la génération efficace de clones de lymphocytes T humains en réponse à un antigène donné.
L'identification et l'isolement des cellules T spécifiques de l'antigène à partir de populations polyclonales ont été activées par le développement de multimères pMHC 11 marqué par un fluorophore. Cette approche utilise des antigènes peptidiques spécifiques chargés dans des molécules de CMH solubles recombinants biotinylés, qui sont marqués par liaison à un fluorophore de la streptavidine marquée. Multimérisation de pMHC augmente l'avidité, la compensation de l'affinité intrinsèquement faible (M) de TCR pour ligands PMHC solubles. Les cellules marquées peuvent être identifiées et isolées par cytométrie de flux. Cependant, cette approche est encore limitée par la faible fréquence des cellules T spécifiques de l'antigène chez les populations de cellules T naïves, qui sont typiquementordres de grandeur inférieure à la limite de l'identification et quantification précise sur la plupart des cytomètres de flux. Pour remédier à cette limitation, un procédé de marquage pMHC de tétramère et d'enrichissement par billes magnétiques subséquente des cellules tétramère marqué a été mis au point 12. Cette méthode a montré une détection fiable, le dénombrement et l'isolement des cellules T spécifiques de l'antigène à basse fréquence.
Ce protocole décrit un protocole efficace pour la génération de clones de cellules T humains qui réagissent spécifiquement aux ligands individuels pMHC allogéniques. Le protocole applique pMHC (HLA) l'étiquetage des multimères et d'enrichissement pour l'isolement de cellules T humaines spécifiques à l'alloantigène de cytométrie de flux de tri cellulaire et un procédé robustes pour la culture in vitro de cellules T humaines pour permettre la production de clones de cellules triées individuelles de cellules T ( Vue d'ensemble de la figure 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
T cell alloreactivity is a long-studied and clinically-relevant phenomenon. The robust proliferative and effector responses of T cells to allogeneic stimulation has enabled extensive analyses of human T cell responses in vitro through relatively straightforward mixed lymphocyte reactions of peripheral blood T cells against inactivated allogeneic cells. However, these primary alloreactive T cell responses are oligoclonal, comprised of a large number of individual T cells responding to specific alloantigens. This …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The author would like to thank the NIH Tetramer Core Facility for tetramer production. The author would also like to thank E.D. O’Connor and K.E. Marquez at the UCSD Human Embryonic Stem Cell Core Facility flow cytometry laboratory for assistance in cell sorting. This work was funded by National Institutes of Health grant K08AI085039 (G.P.M.).
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Sodium heparin venous blood collection tube 16 x 100 mm | Becton, Dickenson and Company | 366480 | |
| Lymphoprep | Stemcell Technologies | 7801 | |
| Rosette Sep Human T Cell Enrichment Kit | Stemcell Technologies | 15061 | |
| Dulbecco's PBS, 1x without Ca or Mg | Corning | 21-031-CV | |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E6635 | |
| Fluorophore-labeled pMHC tetramer | NIH Tetramer Facility | NA | |
| EasySep Biotin Selection Kit | Stemcell Technologies | 18553 | |
| EasySep Selection magnet | Stemcell Technologies | 18000 | |
| TruStain FcX Human Fc blocking solution | Biolegend | 422301 | |
| Anti-CD5 PE-Cy7 (clone UCHT2) | Biolegend | 300621 | |
| Anti-CD14 FITC (clone HCD14) | Biolegend | 325603 | |
| Anti-CD19 FITC (clone HIB19) | Biolegend | 302205 | |
| Iscove's DMEM, without b-ME or L-glutamine | Corning | 15-016-CV | |
| HEPES | Corning | 25-060-CI | |
| b-Mercaptoethanol | Life Technologies | 21985-023 | |
| Glutamax | Life Technologies | 35050061 | |
| Gentamicin sulfate (50 mg/ml) | Omega Scientific | GT-50 | |
| Human AB serum, male donor | Omega Scientific | HS-30 | |
| Recombinant human IL-2 | Peprotech | AF 200-02 | |
| Dynabeads Human T-Activator CD3/CD28 | Life Technologies | 11131D | |
| Media | |||
| Cell sorting buffer | |||
| PBS, pH 7.4 | 1 L | ||
| BSA | 10g | ||
| EDTA (0.5 M) | 2 ml | ||
| Human T Cell Culture Medium | |||
| Iscove's DMEM | 351.6 ml | ||
| Heat-inactivated human AB serum | 40 ml | ||
| HEPES (1 M) | 4 ml | ||
| Glutamax (100 x) | 4 ml | ||
| Gentamicin (50 mg/ml) | 0.4 ml | ||
| b-mercaptoethanol (14.3 M) | 1.4 ml | ||
| Recombinant human IL-2 (1 mg/ml) | 1 ml |
References
- Smith-Garvin, J. E., Koretzky, G. A., Jordan, M. S. T cell activation. Annu. Rev. Immunol. 27 (1), 591-619 (2009).
- Morris, G. P., Allen, P. M. How the TCR balances sensitivity and specificity for the recognition of self and pathogens. Nat. Immunol. 13 (2), 121-128 (2012).
- Arstilla, T. P., et al. A direct estimation of the human αβ T cell receptor diversity. Science. 286 (5441), 958-961 (1999).
- Robbins, H. S., et al. Comprehensive assessment of T-cell receptor β-chain diversity in αβ T cells. Blood. 114 (19), 4099-4107 (2009).
- Alanio, C., Lemaitre, F., Law, H. K. W., Hasan, M., Albert, M. L. Enumeration of human antigen-specific naive CD8+ T cells reveals conserved precursor frequencies. Blood. 115 (18), 3718-3725 (2010).
- Suchin, E. J., et al. Quantifying the frequency of alloreactive T cells in vivo: new answers to an old question. J. Immunol. 166 (2), 973-981 (2001).
- Felix, N. J., Allen, P. M. Specificity of T-cell alloreactivity. Nat. Rev. Immunol. 7 (12), 942-953 (2007).
- Morris, G. P., Ni, P. P., Allen, P. M. Alloreactivity is limited by the endogenous peptide repertoire. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108 (9), 3695-3700 (2011).
- Suri, A., et al. In APCs, the autologous peptides selected by the diabetogenic I-Ag7 molecule are unique and determined by the amino acid changes in the P9 pocket. J. Immunol. 168 (3), 1235-1243 (2002).
- Yssl, H., Spits, H. Generation and maintenance of cloned human T cell lines. Curr. Protoc. Immunol. 7, (2002).
- Altman, J. D., et al. Phenotypic analysis of antigen-specific T lymphocytes. Science. 274 (5284), 94-96 (1996).
- Moon, J. J., et al. Naive CD4+ T cell frequency varies for different epitopes and predicts repertoire diversity and response magnitude. Immunity. 27 (2), 203-213 (2007).
- Chicz, R. M., et al. Specificity and promiscuity among naturally processed peptides bound to HLA-DR alleles. J. Exp. Med. 178 (1), 27-47 (1993).
- Ni, P. P., Allen, P. M., Morris, G. P. The ability to rearrange dual TCRs enhances positive selection, leading to increased allo- and autoreactive T cell repertoires. J. Immunol. In press, (2014).
- Morris, G. P., Uy, G. L., Donermeyer, D., DiPersio, J. F., Allen, P. M. Dual receptor T cells mediate pathologic alloreactivity in patients with acute graft-versus-host disease. Sci. Transl. Med. 5 (188), (2013).
- Altman, J. D., Reay, P. A., Davis, M. M. Formation of functional peptide complexes of class II major histocompatibility complex proteins from subunits produced in Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 90 (21), 10330-10334 (1993).
- Sabatino, J. J., Huang, J., Zhu, C., Evavold, B. D. High prevalence of low affinity peptide-MHC II tetramer-negative effectors during polyclonal CD4+ T cell responses. J. Exp. Med. 208 (1), 81-90 (2011).
