The role of cytokine-producing B cells in initiation and regulation of EAE

Thomann, Anna Sophie (2022): The role of cytokine-producing B cells in initiation and regulation of EAE. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a common disease of the central nervous system with almost 2.5 million patients worldwide. It is characterized by chronic autoimmune inflammation targeting the myelin sheath and resulting in tissue inflammation, demyelination, axonal damage and loss. Traditionally, research efforts in MS and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) focused on autoreactive T cells specific for myelin antigens such as myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG). These autoreactive T cells are thought to be primed in the periphery before they enter the CNS where they drive inflammatory processes that lead to lesion formation and tissue damage. However, in the last years, clinical data suggested an additional important role of B cells in MS pathogenesis. Increasing evidence supports the hypothesis that among the B cell effector functions, antigen presentation and cytokine production rather than secretion of antibodies are crucial for disease initiation and progression. Thereby, B cells may promote differentiation of autoreactive T helper (Th) cells into pathogenic subsets such as Th1 and Th17 cells. To test by which mechanisms antigen-specific B cells could cooperate with antigen-specific T cells to induce EAE, B cells isolated from Th mice, which harbor B cells specific for the CNS antigen MOG, were characterized. In this thesis it was demonstrated that Th B cells have an expanded compartment of marginal zone B cells, a B cell subset often associated with different autoimmune diseases. Furthermore, Th B cells produced significantly more pro-inflammatory cytokines such as IL-6 and TNFα, and less anti-inflammatory IL-10 indicating a more pathogenic potential of MOG- specific B cells. To investigate how cytokine production by antigen-specific B cells in the context of antigen-presentation can shape T cell responses in vivo, a novel adoptive co-transfer system was developed, in which activated MOG-specific B cells stimulate MOG-specific CD4+ T cells to induce EAE. Using an in vitro culture system, different cytokines were overexpressed in MOG-specific B cells before adoptive transfer to evaluate the role of these cytokines in initiation of EAE. It could be shown that overexpression of IL-6 and IL-23p19 leads to an accelerated EAE onset mediated by different mechanisms. In contrast, overexpression of anti-inflammatory IL-10 in plasmablasts could contribute to disease regulation in a Th17 adoptive transfer EAE model by increasing the frequency of anti-inflammatory T cells directly in the CNS. Lastly, a novel IL-23p19 reporter mouse was developed to identify the cellular sources of IL-23p19, a cytokine crucial for differentiation and stabilization of pathogenic Th17 cells. It was discovered that activated T cells express and secrete high levels of IL-23p19, but that T cell-derived IL-23p19 is dispensable for EAE. Overall, the role of different B cell-derived cytokines was investigated in this thesis, and it was shown that B cells can contribute to both the initiation but also the regulation of EAE depending on the cytokines they produce. Furthermore, the sources of the cytokine IL-23p19, which is crucial for Th17 differentiation, and its role in T cell biology during EAE were investigated. These findings shed light on the role of different B cell subsets, effector functions, and cytokines during EAE and MS, whose understanding is crucial to develop novel, more specific therapies for MS.

Abstract

Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheiden im zentralen Nervensystem (ZNS) von Immunzellen angegriffen werden. Dies führt zu lokalen Entzündungen und Demyelinisierung sowie zur Schädigung und zum Verlust von Nervenzellen. Obwohl MS eine häufige Erkrankung ist, von der weltweit fast 2,5 Millionen Menschen betroffen sind, ist die Pathogenese noch nicht abschließend verstanden. Traditionell fokussierte sich die Forschung an MS und seinem Tiermodell, der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), auf autoreaktive T-Zellen, die spezifisch auf Myelin-Antigene wie beispielsweise das Myelin- Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG) reagieren. Man geht davon aus, dass diese autoreaktiven T-Zellen in der Peripherie aktiviert werden und dann ins ZNS einwandern, wo sie Entzündungsreaktionen auslösen, die zu Läsionen und Gewebsschädigung führen. In den letzten Jahren verdichteten sich jedoch die Hinweise auf eine zusätzliche wichtige Beteiligung von B-Zellen an der MS-Pathogenese. Besonders klinische Daten deuten darauf hin, dass B-Zellen zum Krankheitsbeginn und -verlauf beitragen, indem sie Antigene präsentieren und Zytokine sezernieren, die möglicherweise die Differenzierung von pathogenen T-Helfer (Th-)Zellen wie Th1- oder Th17-Zellen fördern. Um zu testen, durch welche Mechanismen antigen-spezifische B-Zellen mit antigen- spezifischen T-Zellen kooperieren und EAE induzieren können, wurden B-Zellen von Th Mäusen, die MOG-spezifische B-Zellen besitzen, isoliert und charakterisiert. In dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass Th B-Zellen einen erhöhten Anteil an Marginalzonen B-Zellen besitzen, eine B-Zell-Population, die im Zusammenhang mit verschiedenen Autoimmunkrankheiten steht. Des Weiteren produzierten die Th B-Zellen deutlich mehr entzündungsfördernde Zytokine wie IL-6 oder TNFα und weniger entzündungshemmendes IL-10, was auf ein pathogenes Potenzial der MOG- spezifischen B-Zellen hindeutet. Um zu untersuchen, ob antigen-spezifische B-Zellen die T-Zellantwort in vivo durch die Produktion von Zytokinen im Kontext der Antigen-Präsentation beeinflussen können, wurde ein neues Ko-Transfermodell entwickelt, in dem aktivierte MOG-spezifische B-Zellen MOG-spezifische CD4+ T-Zellen stimulieren und so EAE induzieren können. In einem in vitro Zellkultursystem wurden vor dem Transfer verschiedene Zytokine in MOG-spezifischen B-Zellen überexprimiert und so die Rolle dieser Zytokine für die Initiierung der Krankheit bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von IL-6 und IL-23p19 zu einem beschleunigten Krankheitsbeginn führt; ein Effekt, der je nach Zytokin durch unterschiedliche Mechanismen vermittelt wird. Im Gegensatz dazu trägt die Überexpression von entzündungshemmendem IL-10 in Plasmablasten zur Krankheitsregulation bei, indem sie den Anteil entzündungshemmender T-Zellen im ZNS erhöht. Außerdem wurde in dieser Dissertation eine neuartige IL-23p19 Reportermaus entwickelt, um die zellulären Quellen des Zytokins IL-23p19 zu untersuchen, das für die Differenzierung und Stabilisierung pathogener Th17-Zellen von entscheidender Bedeutung ist. Es konnte gezeigt werden, dass aktivierte T-Zellen IL-23p19 exprimieren und sezernieren, dass aber das von T-Zellen stammende IL-23p19 unwesentlich für die Entwicklung der EAE ist. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Rolle von verschiedenen B-Zell-Zytokinen untersucht und es konnte gezeigt werden, dass B-Zellen, abhängig von den produzierten Zytokinen, sowohl zur Krankheitsauslösung als auch zur -regulation beitragen können. Außerdem wurden die zelluläre Herkunft des Zytokins IL-23p19 sowie seine Rolle in der T-Zellbiologie im Zusammenhang mit Entzündungsprozessen in der EAE untersucht. Diese Erkenntnisse geben Aufschluss über die Rolle von verschiedenen B-Zellpopulationen, Effektor-Funktionen und Zytokinen während der EAE. Dieses Verständnis ist ausschlaggebend für die Entwicklung neuer, gezielterer Therapien für MS.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: multiple sclerosis, EAE, neuroimmunology, cytokines, B cells
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. Mai 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Peters, Anneli