The role of antigen cross-presentation in the vaccine-induced activation of cytotoxic T-lymphocytes

Schliehe, Christopher

The role of antigen cross-presentation in the vaccine-induced activation of cytotoxic T-lymphocytes

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Dissertation Christopher Schliehe.pdf(5.11 MB)

Date

2011

Publication type

Dissertation

Abstract

Antigen delivery systems that are efficient in inducing CD8+ T-cell mediated immune responses are required for the development of novel vaccines against intracellular pathogens and cancer. Although many new approaches were already investigated in mice and also humans, low immunogenicity of tested vaccines is still a major challenge in the field. Therefore it is important to study the molecular and cellular function of particular vaccines, in order to develop strategies that overcome this limitation. Beside “directpresentation” of endogenous proteins, antigen “cross-presentation” by professional antigen presenting cells (APCs) is an essential pathway for the major histocompatibility complex (MHC) class I presentation of exogenous antigens. It becomes more and more evident that cross-presentation is not only involved in physiological responses to various pathogens and malignancies, but also mediates specific cytotoxicity in response to vaccines. This thesis aimed on analyzing the molecular and cellular requirements for antigen cross-presentation, especially in response to selected vaccines. In chapter I we characterized the cell types involved in the cross-presentation of antigens that are encapsulated into a particulate biodegradable vaccine. These poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA) microspheres are approved as drug delivery system in humans and display promising properties to serve as therapeutic vaccine against cancer. In the murine system, we could show that cross-presentation of PLGA MS-encapsulated antigen can be performed by both dendritic cells (DCs) and macrophages. In contrast to the current idea that CD8+ DCs are the important cell type in cross-presentation we provide evidence for a dominant role of CD8- DCs and macrophages. In chapter II we investigated the intracellular fate of PLGA MS after phagocytosis by APCs. Based on the encapsulation of inorganic nanocrystals, we introduce a novel method to label PLGA MS for electron and fluorescent microscopy, as well as magnetic cell sorting. Using these tools, we were able to show that PLGA MS do not enter the cytosol after uptake, but are stored in lysosomal vesicles for at least 72h. Since cross-presentation of encapsulated antigen already occurred at much earlier time points, our data have implications on the intracellular cross-presentation pathway. In chapter III we studied the molecular requirements concerning antigen-stability on the efficiency of DNA vaccines and immune responses induced by recombinant vaccinia virus (VV). We could show that targeting antigens for rapid degradation increases direct-presentation in vitro, but in contrast inhibits in vivo responses to DNA vaccination and recombinant VV. The results shown here argue for a dominant role of cross-presentation in the systems analyzed. In chapter IV we investigated the role of heat-shock proteins (HSPs) and other cellular factors on the cross-presentation of cell-associated antigen. We provide evidence that the stable full-length protein, but not antigenic peptides, is the source of antigen transfer to APCs. At the same time we exclude several HSPs as mediators for cross-presentation in this system. Finally we show biochemical strategies to find interaction partners of a viral antigen that can mediate the transfer to APCs. Taken together the data accumulated in this thesis contribute to the development of novel strategies to enhance immune responses following vaccination.

Summary in another language

Für die Entwicklung von neuartigen Impfstoffen zum Schutz gegen intrazelluläre Pathogene und Krebs werden Antigen-Vektoren benötigt, die in der Lage sind ausgeprägte CD8+ T-Zell-Antworten auszulösen. Obwohl es viele neue Lösungsansätze gibt, die bereits in der Maus und im Menschen erprobt werden, ist die geringe Wirkung vieler Impfstoffe noch immer eine große Herausforderung. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, die molekularen und zellulären Mechanismen des jeweiligen Impfstoffes zu untersuchen, um Strategien entwickeln zu können, die die Wirkung dieser Impfstoffe verbessern. Im Unterschied zur direkten Präsentation von endogen synthetisierten Proteinen, stellt die Kreuz-Präsentation einen essentiellen Weg dar, durch den exogene Antigene auf Molekülen des Haupt- Histokompatibilitäts-Komplexes (MHC) der Klasse I präsentiert werden. Mehr und mehr stellt sich heraus, dass die Kreuz-Präsentation nicht nur an physiologischen Immunantworten gegen verschiedene Pathogene oder Krebs beteiligt ist, sondern auch die zytotoxischen Immunreaktionen auf verschiedenste Impfstoffe vermittelt. Ziel dieser Doktorarbeit war es, die molekularen und zellulären Voraussetzungen der Kreuz-Präsentation zu untersuchen. Dabei wurde der Fokus auf die Wirkmechanismen ausgewählter Impfstoffe gelegt. Im ersten Kapitel wurden die Zelltypen charakterisiert, die bei der in vivo Kreuz- Präsentation von in bio-abbaubaren Mikrosphären (MS) verkapselten Antigenen eine Rolle spielen. Diese aus dem Material Poly(Laktat-co-Glykolat) Säure (PLGA) bestehenden MS sind als Trägersubstanz für Arzneistoffe zur Behandlung von Menschen zugelassen und erfüllen hervorragende Eigenschaften, die sie zusätzlich als therapeutischen Impfstoff gegen Krebs qualifizieren. Anhand von Studien in der Maus konnten wir zeigen, dass in Mikrosphären verkapselte Antigene sowohl von Dendritischen Zellen (DCs) als auch von Makrophagen kreuz-präsentiert werden können. Dabei spielten im Besonderen die CD8- DCs eine entscheidende Rolle. Im zweiten Kapitel wurde untersucht, in welchen intrazellulären Kompartimenten PLGA MS nach der Aufnahme durch Phagozyten zu finden sind. Durch eine neuartige Markierungsmethode, die auf der Verkapselung von anorganischen Nanokristallen beruht, konnten PLGA MS für elektronen- und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen markieren werden. Mit dieser Technik konnte gezeigt werden, dass PLGA MS nach der Aufnahme durch Phagozyten in lysosomalen Vesikeln gespeichert werden und nicht ins Zytoplasma übergehen. Da eine Kreuz-Präsentation von verkapselten Antigenen jedoch bereits früher zu beobachten war, hat dieser Befund eine direkte Bedeutung für das mechanistische Verständnis der Kreuz-Präsentation von PLGA MS. Des Weiteren wurde durch Verkapselung von magnetischen FeO Nanokristallen die Möglichkeit einer PLGA MS-basierten magnetischen Zellsortierung demonstriert. Das dritte Kapitel beschäftigte sich mit der Bedeutung der Antigen-Stabilität in Bezug auf den Erfolg von DNA Impfstoffen und rekombinanter Vaccinia Viren. Die Experimente haben gezeigt, dass kurzlebige Antigene in vitro zwar besser direkt präsentiert werden, in vivo die Antworten bei DNA Immunisierung und Infektion mit Vaccinia-Viren jedoch hemmen. Hier werden Immunantworten präferentiell durch langlebige Antigene ausgelöst. Die Ergebnisse weisen daher auf eine wichtige Rolle der Kreuz-Präsentation in diesen Systemen hin. Im vierten Kapitel wurde die Rolle von Hitze-Schock-Proteinen (HSPs) und anderen zellulären Faktoren bei der Kreuz-Präsentation von zellassoziiertem Antigen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass stabile, ungeschnittene Antigene, jedoch keine Peptide, für einen Transport zu APCs zur Verfügung stehen. Gleichzeitig konnten verschiedene HSPs als Mediatoren der Kreuz-Präsentation in diesem System ausgeschlossen werden. Am Ende des Kapitels werden Strategien aufgezeigt, mit denen künftig neue Antigen-Interaktionspartner gefunden werden können, die einen für die Kreuzpräsentation wichtigen Antigen-Transfer vermitteln können. Zusammenfassend stellt diese Arbeit Ergebnisse bereit, die dazu genutzt werden können, neue Strategien für die Wirkungssteigerung von Impfstoffen zu entwickeln.

Subject (DDC)

500 Natural Sciences

Keywords

cross-presentation

Cite This

ISO 690

SCHLIEHE, Christopher, 2011. The role of antigen cross-presentation in the vaccine-induced activation of cytotoxic T-lymphocytes [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

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Examination date of dissertation

April 5, 2011

Bibliography of Konstanz

Yes