Christian Keller

• Cutaneous leishmaniasis is an infectious disease that is endemic especially in tropical and desert regions with an incidence of 1.5 million cases per year and a prevalence of 12 million people infected worldwide. The infection can be caused by the intracellular parasite Leishmania major. The disease has been studied extensively in the murine model. It has become apparent that the induction of a class of interferon (IFN)--producing CD4+ T helper cells (TH1 cells) that activate macrophages to kill the parasites they harbor is desicive forCutaneous leishmaniasis is an infectious disease that is endemic especially in tropical and desert regions with an incidence of 1.5 million cases per year and a prevalence of 12 million people infected worldwide. The infection can be caused by the intracellular parasite Leishmania major. The disease has been studied extensively in the murine model. It has become apparent that the induction of a class of interferon (IFN)--producing CD4+ T helper cells (TH1 cells) that activate macrophages to kill the parasites they harbor is desicive for the establishment of immunity. The redirection of the host’s immune response towards a protective TH1 phenotype will also be the key to an effective vaccine. Dendritic cells (DC) loaded with leishmanial antigens ex vivo were lately described as vaccines against L. major infections. One single recombinant Leishmania antigen, LeIF (Leishmania homologue of eukaryotic ribosomal initiation factor 4a), which was identified as a protein that stimulates DC to secrete interleukin (IL)-12 and discussed as a pattern-associated molecular pattern (PAMP), was found to mediate a protective TH1-dependent effect when used for pulsing of DC. The application of recombinant proteins is tied to many disadvantages, which is why other methods of antigen administration have been developed. RNA electroporation of DC has recently emerged from tumor research as a safe and versatile method of antigen delivery, by which a large number of RNA molecules encoding a specific antigen gains access to the cytosol of DC by an electrical impulse. The present study describes, for the first time, transfection of DC with RNA encoding a molecularly defined parasite antigen. Initially, a standardized protocol for RNA transfection was established, using the enhanced green fluorescent protein (EGFP) as reporter antigen. EGFP-RNA was well translatable in an in vitro translation system, and both a DC cell line (fetal skin-derived DC; FSDC) and murine primary bone marrow-derived DC (BMDC) could be transfected efficiently, with a yield of up to 90% and 75%, respectively. In both cell types, maximal transfection efficiency was attained with 20 µg RNA and could not be further increased with larger amounts of RNA. The level of antigen expression, measured as the mean fluorescence intensity (MFI) by flow cytometry, was directly proportional to the amount of RNA used for transfection. In FSDC, transfection efficiency and MFI were generally higher than in BMDC when the same amounts of RNA were used. Furthermore, the kinetics was shown to be sensitive to treatment with lipopolysaccharide (LPS): the expression peak was higher and was reached sooner, followed by a more rapid decline. In transfection experiments with LeIF, two variants of LeIF-RNA were used: LeIF(fl)-RNA, encoding the complete LeIF sequence, and LeIF(226)-RNA, encoding only the aminoterminal half of the LeIF sequence (226 amino acids), the immunogenic part of LeIF. Only LeIF(fl) was detectable by Western Blot in whole cell lysates of BMDC after LeIF(fl)-RNA transfection, whereas LeIF(226) could never be detected in LeIF(226)-transfected BMDC. However, as both constructs were well translatable in a cell-free system, the failure to detect LeIF(226) in BMDC lysates did not represent a failure in RNA translation, but rather a rapid antigen degradation. It was therefore expected that LeIF(226)-transfected BMDC should nevertheless be able to present LeIF(226)-derived antigenic peptides to T cells from BALB/c mice primed with recombinant LeIF (rLeIF). This hypothesis was confirmed by measuring IFN- production in BMDC-T cell co-incubation assays, showing that rLeIF-pulsed, LeIF(226)- and LeIF(fl)-transfected day 7 BMDC did indeed activate T cells from LeIF-immunized mice in an antigen-specific manner. In contrast, IL-4 was not produced, which was consistent with the fact that T cells found in lymph nodes from LeIF-primed mice are primarily of the TH1 type. In the supernatants of LeIF-transfected BMDC cultures, in contrast to rLeIF-pulsed BMDC, the proinflammatory cytokines IL-1β, IL-6, IL-10 and IL-12 were not detected. This effect was not due to the electroporation procedure, as cytokine production by BMDC electroporated with rLeIF was only partially impaired. Also, the expression levels of CD86 were lower upon LeIF transfection than after pulsing with rLeIF. Thus, LeIF transfection did not induce maturation of DC. In conclusion, LeIF-transfected BMDC may have acted as semi-mature antigen-specific tolerance inducers, with regulatory T cells as responders. The effect of LeIF transfection on the immunostimulatory capacity of BMDC was not significantly increased when day 8 or 9 BMDC were used. However, day 8, and even more day 9 BMDC pulsed with rLeIF mounted a vigorous T cell response. Day 9 BMDC were able to activate naïve T cells. In conclusion, before a strong T cell response against LeIF can be induced, DC need to – besides presenting antigen and expressing co-stimulatory molecules – exhibit a susceptibility to the innate signaling molecule LeIF which is linked to their maturation age. This third signal is provided by extracellular rLeIF, but it is not conveyed – or is suppressed – by intracellular LeIF after LeIF-RNA transfection. Furthermore, electroporation of rLeIF abrogated IL-12 production by BMDC completely, the production of IL-1 was reduced with higher antigen doses, and the production of IL-10 was partially increased. The IL-6 production was unaffected. This altered cytokine profile suggests that LeIF as a PAMP might have a bipartite nature: besides exhibiting the capacity to stimulate IL-12 production upon extracellular presence, thereby enhancing host resistance against L. major, LeIF could also contribute to parasitic host evasion mechanisms from intracellular compartments of DC, possibly by interfering with mitogen-activated protein (MAP) kinase signaling pathways. Thus, the adjuvant properties of LeIF depend both on its mode of delivery (transfection with RNA vs. pulsing with the recombinant protein) and the targeted compartment (extra- vs. intracellular). From this work, it can be summarized that BMDC are well transfectable with a parasite antigen. The antigen is processed and presented, but it is not recognized as a PAMP by DC. Hence, transfection with antigen-encoding mRNA by itself does not convey all necessary signals for the elicitation of a potent immune response.…
• Die kutane Leishmaniose ist eine Infektionskrankheit, die besonders in tropischen und Wüstenregionen endemisch ist, mit einer Inzidenz von 1,5 Millionen Fällen im Jahr und einer Prävalenz von 12 Millionen Infizierten weltweit. Die Infektion kann durch den intrazellulären Parasiten Leishmania major hervorgerufen werden. Am Mausmodell ist die Krankheit ausführlich untersucht. Wie dabei deutlich wurde, ist für die Immunität gegen den Erreger die Induktion einer Klasse von Interferon (IFN)--produzierenden CD4+ T-Helfer-Zellen (TH1-Zellen)Die kutane Leishmaniose ist eine Infektionskrankheit, die besonders in tropischen und Wüstenregionen endemisch ist, mit einer Inzidenz von 1,5 Millionen Fällen im Jahr und einer Prävalenz von 12 Millionen Infizierten weltweit. Die Infektion kann durch den intrazellulären Parasiten Leishmania major hervorgerufen werden. Am Mausmodell ist die Krankheit ausführlich untersucht. Wie dabei deutlich wurde, ist für die Immunität gegen den Erreger die Induktion einer Klasse von Interferon (IFN)--produzierenden CD4+ T-Helfer-Zellen (TH1-Zellen) entscheidend, welche Makrophagen dazu aktivieren, die von ihnen beherbergten Parasiten abzutöten. Die Umlenkung der Immunantwort in Richtung einer schützenden TH1-Antwort wird auch der Schlüssel zu einem effektiven Impfstoff sein. Ex vivo mit Leishmanienantigenen beladene dendritische Zellen sind vor einiger Zeit als Vakzine gegen L. major-Infektionen beschrieben worden. Ein einzelnes rekombinantes Antigen, LeIF (Leishmania homologue of eukaryotic ribosomal initiation factor 4a), ein parasitäres Protein, das die IL-12-Produktion durch dendritische Zellen stimuliert und das als mikrobiell konserviertes Strukturmolekül (pattern-associated molecular pattern; PAMP) diskutiert wird, vermittelte dabei, zum Pulsen von dendritischen Zellen verwendet, einen schützenden TH1-abhängigen Effekt. Der Einsatz rekombinanter Proteine ist jedoch mit etlichen Nachteilen verbunden, weshalb andere Methoden zur Verabreichung von Antigenen entwickelt wurden. Aus der Tumorforschung ist unlängst die RNA-Elektroporation dendritischer Zellen als eine sichere und vielseitige Methode hervorgegangen, bei der eine große Anzahl von RNA-Molekülen, die für ein bestimmtes Antigen kodieren, durch einen elektrischen Impuls in das Cytosol dendritischer Zellen gelangt. Die vorliegende Arbeit beschreibt zum ersten Mal die Transfektion dendritischer Zellen mit RNA eines molekular definierten Parasitenantigens. Zunächst erfolgte die Etablierung eines standardisierten Protokolls für die RNA-Transfektion mit dem enhanced green fluorescent protein (EGFP) als Reporterantigen. EGFP-RNA war gut translatierbar in einem In-vitro-Translationssystem, und es konnten sowohl eine Zellinie (fetal skin-derived dendritic cells; FSDC) als auch primäre, aus Knochenmarkkulturen der Maus gewonnene dendritische Zellen (bone marrow-derived dendritic cells; BMDC) mit einem Anteil von bis zu 90% bzw. 75% effizient EGFP-transfiziert werden. In beiden Zelltypen wurde die maximale Transfektionseffizienz mit 20 µg RNA erreicht, die mit größeren Mengen an RNA nicht weiter zu steigern war. Die Höhe der Antigenexpression, gemessen als mittlere Fluoreszenzintensität (MFI) in der Durchflußzytometrie, war direkt proportional zur verwendeten RNA-Menge. In FSDC waren die Transfektionseffizienz und die MFI generell höher als in BMDC bei gleicher RNA-Menge. Zudem konnte gezeigt werden, daß eine Behandlung mit LPS die Kinetik beeinflußt: Die maximale Expression war höher und wurde auch eher erreicht, worauf zudem ein schnellerer Abfall folgte. In den Transfektionsexperimenten mit LeIF wurden zwei Varianten von LeIF-RNA verwendet: eine für die gesamte LeIF-Sequenz kodierende LeIF(fl)-RNA, und eine nur für die aminoterminale Hälfte der LeIF-Sequenz (226 Aminosäuren), dem immunogenen Teil des LeIF-Moleküls, kodierende LeIF(226)-RNA. Im Western Blot von Ganzzellysaten dendritischer Zellen war nur LeIF(fl) nach Transfektion nachzuweisen, wohingegen LeIF(226) in LeIF(226)-transfizierten BMDC nie nachzuweisen war. Da beide Konstrukte aber gut im zellfreien System translatierbar waren, stellte der fehlgeschlagene Nachweis von LeIF(226) kein Fehlschlagen der RNA-Translation, sondern vielmehr einen raschen Antigenabbau dar. Es bestand daher die Erwartung, daß LeIF(226)-transfizierte BMDC trotzdem in der Lage sein müßten, von LeIF(226) abgeleitete antigene Peptide an T-Zellen von mit rekombinantem LeIF (rLeIF) immunisierten BALB/c-Mäusen zu präsentieren. Diese Vermutung wurde durch Messung von IFN- in Stimulationsversuchen mit BMDC und T-Zellen bestätigt, die zeigten, daß am Tag 7 der Kultur mit rLeIF gepulste, LeIF(226)- und LeIF(fl)-transfizierte BMDC in der Tat antigenspezifisch T-Zellen aus LeIF-immunisierten Mäusen aktivierten. IL-4 hingegen wurde nicht produziert, was mit der Tatsache vereinbar ist, daß in Lymphknoten LeIF-vakzinierter Mäusen hauptsächlich T-Zellen vom TH1-Typ zu finden sind. In den Überständen LeIF-transfizierter BMDC-Kulturen, im Gegensatz zu rLeIF-gepulsten BMDC, waren die proinflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-6, IL-10 und IL-12 nicht nachzuweisen. Dieser Effekt lag nicht am Elektroporationsvorgang, da die Zytokinproduktion von mit rekombinantem LeIF elektroporierten BMDC nur teilweise beeinträchtigt war. Die Expression von CD86 war nach LeIF-Transfektion zudem geringer als nach Pulsen mit rLeIF. LeIF-Transfektion führte mithin nicht zur Reifung dendritischer Zellen. LeIF-transfizierte BMDC könnten im Ergebnis als antigenspezifische Toleranzinduktoren fungiert haben, mit regulatorischen T-Zellen als Respondern. Der Effekt der Transfektion mit LeIF-RNA auf die immunstimulatorische Wirkung von BMDC war nicht signifikant erhöht, wenn BMDC am Tag 8 oder 9 der Kultur verwendet wurden. BMDC, die am Tag 8, und mehr noch am Tag 9 mit rLeIF gepulst wurden, induzierten hingegen eine energische T-Zell-Antwort. BMDC vom Tag 9 waren sogar in der Lage, naive T-Zellen zu aktivieren. Bevor eine starke, gegen LeIF gerichtete T-Zell-Antwort eingeleitet werden kann, müssen dendritische Zellen also letztlich – neben Präsentation des Antigens und Expression kostimulatorischer Moleküle – eine gewisse „Empfindlichkeit“ gegenüber dem Strukturmolekül LeIF besitzen, die mit ihrem Reifungsalter in Zusammenhang steht. Dieses dritte Signal wird nicht durch intrazelluläres LeIF nach Transfektion mit LeIF-RNA übermittelt, oder es wird unterdrückt. Darüber hinaus war nach Elektroporation von rLeIF die IL-12-Produktion von BMDC gänzlich aufgehoben, die Produktion von IL-1 bei höheren Antigendosen reduziert und die Produktion von IL-10 teilweise erhöht. Die Produktion von IL-6 war unbeeinflußt. Dieses veränderte Zytokinprofil legt eine Doppelnatur von LeIF als PAMP nahe: Neben der bei extrazellulärem Vorliegen von LeIF erwiesenen Eigenschaft, die Produktion von IL-12 zu stimulieren, welches die Resistenz des Wirtes gegen L. major steigert, könnte LeIF bei intrazellulärem Vorliegen auch zu Evasionsmechanismen des Parasiten vor dem Immunsystem des Wirtes beitragen, möglicherweise durch Wechselwirkung mit MAP (mitogen-activated protein)-Kinase-Signalwegen. Die Eigenschaften von LeIF als Adjuvans hängen also sowohl von der Verabreichungsmethode (Transfektion mit RNA bzw. Pulsen mit dem rekombinanten Protein) als auch vom Zielkompartiment (extra- bzw. intrazellulär) ab. Zusammenfassend konnte also in dieser Arbeit gezeigt werden, daß BMDC mit einem Parasitenantigen transfizierbar sind. Das Antigen wird dabei prozessiert und präsentiert, aber von dendritischen Zellen nicht als PAMP erkannt. Durch Transfektion mit antigenkodierender mRNA alleine werden mithin nicht alle notwendigen Signale für die Induktion einer potenten Immunantwort übermittelt.…