Advanced

Effect of IL-1beta secretion on lymphoid tissue and on antitumor immune responses

Björkdahl, Olle LU (2000)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Kroppens immunförsvar är vårt skydd mot främmande "inkräktare", såsom virus, bakterier och parasiter. Om dessa mikroorganismer tar sig förbi de fysiska barriärerna, dvs. hud, slemhinnor saliv mm, aktiveras immunsystemet. Immun-försvaret kan delas in i det nedärvda eller naturliga försvaret samt det för-värvade försvaret. Det naturliga försvaret aktiveras först och huvudaktörerna i detta försvar är fago-cyterande makrofager och granulocyter, vilka äter upp främmande partiklar, NK (Natural Killer) celler, samt ett antal lösliga molekyler med skyddande förmåga. Förutom att spela en viktig roll initialt i ett immunsvar har det naturliga försvaret också en avgörande betydelse för att styra det... (More)
Popular Abstract in Swedish

Kroppens immunförsvar är vårt skydd mot främmande "inkräktare", såsom virus, bakterier och parasiter. Om dessa mikroorganismer tar sig förbi de fysiska barriärerna, dvs. hud, slemhinnor saliv mm, aktiveras immunsystemet. Immun-försvaret kan delas in i det nedärvda eller naturliga försvaret samt det för-värvade försvaret. Det naturliga försvaret aktiveras först och huvudaktörerna i detta försvar är fago-cyterande makrofager och granulocyter, vilka äter upp främmande partiklar, NK (Natural Killer) celler, samt ett antal lösliga molekyler med skyddande förmåga. Förutom att spela en viktig roll initialt i ett immunsvar har det naturliga försvaret också en avgörande betydelse för att styra det efter-följande förvärvade försvaret. Det förvärvade försvaret medieras av T lymfocyter respektive B lymfocyter och karaktäriseras av att dessa celler specifikt kan känna igen främmande antigen. T celler känner igen främmande antigen först efter att dessa har brutits ner och pre-senterats på cellytan hos sk antigen-presenterande celler (APC). B celler känner däremot igen lösliga antigen i dess nativa form. Varje T cell respektive B cell ut-trycker specifika receptorer på dess cellyta. Aktivering av dessa lymfocyter sker efter interaktion mellan de antigen-specifika receptorerna och det främmande anti-genet, vilket resulterar i klonal expansion och ger upphov till ett stort antal celler med samma specificitet. På detta sätt kan invaderande mikroorganismer tas om hand på ett mer effektivt sätt. Något annat som är karaktäristisk för den förvärvade immuniteten är dess kapacitet att generera immunologiskt minne. Detta innebär att det har en förmåga att minnas vilka mikroorganismer som kroppen tidigare utsatts för vilket medför att det kan agera mer effektivt vid en andra exponering av samma mikroorganism. Ett antal behandlingsmetoder utnyttjas idag för att behandla patienter med tumörer, såsom kirurgi, strålbehandling och kemoterapi. Ett alternativt sätt att behandla tumörer är att manipulera immunsystemet så att en specifik, immuno-logisk reaktion uppstår mot tumören. Interleukin-1b (IL-1b) är ett naturligt förekommande lösligt protein som induceras vid inflammatoriska reaktioner och har visat sig spela en viktig roll både vid önskvärda immunologiska reaktioner samt vid patofysiologiska inflamma-toriska immunsvar. Det är ett mycket potent protein som påverkar vår kropp på en mängd olika sätt. Det har tidigare visats att behandling av cancerpatienter med IL-1b har positiva effekter. Systemisk (intravenös) administration av detta protein har dock visat sig resultera i svåra biverkningar såsom feber, blodtrycksfall, kräkningar och viktminskning. Ett alternativt sätt att använda IL-1b för att stimulera ett antitumör-svar, men undvika de systemiska bieffekterna, är att uttrycka detta protein lokalt i tumörområdet/vaccineringsstället. Huvuddelen av denna av-handling fokuserar just på att studera huruvida lokal IL-1b-frisättning påverkar tillväxten av en tumör. Som tidigare nämnts så har IL-1b också visat sig vara involverad i inflammatoriska sjukdomar. I en ytterligare studie (arbete IV) har vi studerat vilken effekt konstitu-tivt överuttryck av IL-1b har på lymfoida celler/vävnader (såsom mjälte och lymf-körtlar). Detta har studerats genom att generera en sk transgen mus.



Arbete I IL-1b syntetiseras normalt som en biologiskt inaktiv molekyl vilken måste genomgå protolytisk klyvning för att bli biologiskt aktiv. Dessutom skiljer sig IL-1b från många andra interleukiner (det finns en hel uppsjö olika, med varierande effekter) genom att den saknar en signalpeptid, vilken normalt är nödvändig för att ett protein ska kunna frisättas ut ur cellen. Frisättningsmekanismen som IL-1b använder sig av är inte fullständigt klarlagd men har bland annat satts i samband med programmerad cell död av den producerande cellen. Vi har i detta arbete utvecklat en biologisk modell i vilken IL-1b kan frisättas effektivt från celler utan att cellen behöver dö. Genen kodande för den biologiskt aktiva formen av IL-1, till vilken en signal sekvens kopplades (ssIL-1b), fördes in (denna teknik kallas transfektion) i målcellerna för att se om signal sekvensen effektivt kunde styra proteinet ut ur cellen. Det visades att när signalsekvensen var närvarande frisattes proteinet effek-tivt ut ur cellen, och frisättningen hade inget samband med celldöd. Om IL-1 genen utan en signalsekvens fördes in i cellen, ackumulerades däremot proteinet inne i cellen och mycket lite kunde detekteras utanför.



Arbete II Resultaten från Arbete I gav oss möjlighet att vidare studera om lokal frisättning av IL-1b från tumörceller påverkar tumörtillväxt i ett djur. Ett musmelanom användes som modelltumör. Obehandlade, IL-1b-transfekterade alternativt ssIL-1b-trans-fekterade tumörceller injicerades subkutant på möss och tumörens tillväxt följdes över tid. Det visade sig att tumörer som effektivt frisatte IL-1b lokalt i tumör-områ-det, växte signifikant långsammare jämfört med obehandlade respektive IL-1b-producerande (men ej frisättande) tumörer. Dessutom förblev cirka 30% av djuren som hade erhållit ssIL-1b-transfekterade tumörer tumörfria, medan alla tumörer i kontrollgrupperna växte ut. Vi analyserade vidare huruvida immuno-logiska celler hade infiltrerat tumörerna. Tumörer som frisatte IL-1b var infiltrerade med T celler, makrofager samt få dendritiska celler. Tumörer som producerade IL-1b, men inte aktivt frisatte detta, innehöll endast makrofager medan inga immuno-logiska celler kunde detekteras i obehandlade tumörer. Dessa resultat visade att aktiv frisättning av IL-1b från tumören hämmar tillväxt-hastigheten samt inducerar infiltration av immunologiska celler in i tumörområdet.



Arbete III I detta arbete flyttade vi fram positionerna ett par steg jämfört med i arbete II. Vi ville här studera om det var möjligt att använda de ssIL-1b-transfekterade cellerna för att generera immunitet mot ursprungstumören. Detta gjordes genom att injicera strålade IL-1b-frisättande tumörceller intraperitoneellt (i buken). Cellerna strålades först för att de inte skulle kunna dela sig. De bibehöll dock förmågan att producera IL-1b ett antal dagar. Tanken med vaccineringen var att undersöka om närvaro av IL-1b kunde stimulera ett immunologiskt svar mot vaccinationscellerna och på så sätt inducera ett immunologiskt minne mot ursprungstumören. Då ursprungs-tumö-rer injicerades på djur, tidigare immuniserade med strålade ssIL-1b-trans-fekterade celler, resulterade i att djuren erhöll ett immunologiskt skydd mot en påföljande injektion av ursprungstumören. Denna immunitet visade sig bibehållas under lång tid eftersom en upprepad injektion av ursprungstumören, så långt efter immunise-ringstillfället som 100 dagar, fortfarande inte gav upphov till några tumörer. I det verkliga livet är det dock patienter med redan etablerade tumörer som ska behand-las. Därför ville vi också studera huruvida vaccinering med ssIL-1b-transfekterade tumörer på djur med redan existerande ursprungstumörer (terapeutisk vaccinering) hade någon effekt. Det visade sig att terapeutiska vaccin-eringar signifikant reduce-rade tumörtillväxthastigheten och att ca 30% av djuren förblev tumörfria. Vidare visade det sig att detta antitumörsvar var beroende av T celler. Vi vill framöver försöka öka andelen tumörfria djur efter terapeutisk vaccinering genom olika justeringar i behandlingsprotokollet, till exempel genom att kombinera IL-1b med andra immunstimulerande molekyler i kombination med fler vaccineringar.



Arbete IV Som tidigare nämnts har IL-1b också visat sig vara involverad i kroniska inflamma-toriska och lymfoproliferativa sjukdomar. I detta arbete ville vi studera hur överproduktion av IL-1b i lymfoid vävnad påverkar cellerna och strukturen i olika lymfoida organ. Detta studerades genom att generera en transgen mus, där fram-förallt B celler överuttrycker IL-1b proteinet. Dessa möss var friska vid födsel, men utvecklade efter några månader abnormaliteter såsom förstorade lymfkörtlar och mjältar. Vid immunhistokemisk analys av dessa organ visade det sig att CD4+ T celler (en subpopulation av T celler) hade en förändrad lokalisering jämfört med kontrolldjur. Vidare var en ökad proportion av både T celler och B celler i ett akti-verat tillstånd och producerade immunaktiverande molekyler, såsom interleukiner och antikroppar. Vi vill nu gå vidare med mer funktionella studier och studera vad som orsakar den lymfoida hyperplasin. En intressant fråga som vi vill ha svar på är huruvida den orsakas av ökad proliferation eller minskad celldöd (eller en kombi-nation av båda). Vidare vore det intressant att studera om samma fenotyp erhålls i en patogenfri miljö. Slutligen vore det också intressant att mer ingående ta reda på vilka celltyper som inducerar respektive förvärrar denna sjukliga fenotyp (orsak och verkan). Sammanfattningsvis har vi studerat effekter av IL-1b i samband med antitumörsvar och hur överuttryck av IL-1b påverkar lymfoid vävnad. Ökad förståelse av hur man kan påverka immunsystemet för att erhålla starkare antitumörsvar är nödvändig för att detta terapikoncept ska bli gångbart ute på klinikerna. Denna avhandling har bidragit med en liten pusselbit till det gigantiska pussel som måste läggas för att på ett optimalt sätt kunna dra nytta av vårt immunförsvar i kampen mot tumör-sjuk-domar. (Less)
Abstract
Interleukin (IL)-1beta is one of the most pleiotropic and potent cytokines, produced predominantly by activated monocytes and macrophages. IL-1 plays an important role in normal immunoregulatory processes but also in pathophysiological inflammatory responses. In the present study, we developed a model for active IL-1beta secretion. A retroviral vector containing a cDNA construct encoding the mature form of IL-1b, fused to a signal sequence (ssIL-1beta), was used to transduce target cells. Analysis of cell lysates and supernatants of the transfected target cells showed that the addition of a signal sequence resulted in high extracellular release of the protein, whereas the protein retained intracellularly if the signal sequence was absent.... (More)
Interleukin (IL)-1beta is one of the most pleiotropic and potent cytokines, produced predominantly by activated monocytes and macrophages. IL-1 plays an important role in normal immunoregulatory processes but also in pathophysiological inflammatory responses. In the present study, we developed a model for active IL-1beta secretion. A retroviral vector containing a cDNA construct encoding the mature form of IL-1b, fused to a signal sequence (ssIL-1beta), was used to transduce target cells. Analysis of cell lysates and supernatants of the transfected target cells showed that the addition of a signal sequence resulted in high extracellular release of the protein, whereas the protein retained intracellularly if the signal sequence was absent. We further evaluated how local and active release of IL-1beta from tumor cells influenced an antitumor immune response against the poorly immunogenic murine B16 melanoma. We showed that the in vivo tumor growth of IL-1beta-transduced tumor cells was significantly reduced when IL-1beta was locally secreted in the tumor area. The tumor growth inhibition correlated with infiltration of macrophages, CD4+ T cells and dendritic cells. We further demonstrated that vaccination with irradiated IL-1beta-secreting tumor cells, stimulated a T cell dependent, long lasting anti-tumor immunity against the wild type B16F10 tumor. In contrast, nontransduced irradiated tumor cells possessed little or no ability to stimulate systemic antitumor immunity. To evaluate the biological effect of over-expression of IL-1beta in lymphoid tissue, we further generated transgenic mice that expressed the ssIL-1b gene construct under the control of a mouse immunoglobulin enhancer. We found that these mice developed a number of abnormal features such as lymphoid hyperplasia, aberrant architecture of lymphoid organs, hypergammaglobulinemia and appearance of activated CD4+ T cells. In conclusion, IL-1beta may be therapeutically useful to augment antitumor immune responses, when locally secreted during the vaccination phase. However, demonstrated by our transgenic model, IL-1beta might in a more chronic setting lead to pathological conditions such as unregulated proliferation and activation of lymphocytes. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Apte, Ron N, Department of Microbiology and Immunology, Faculty of Health Sciences, Ben Gurion University, Beer-Sheva 84105, Israel
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
serologi, Immunologi, transplantation, Immunology, serology
pages
135 pages
publisher
Dept. Tumor Immunology, Immunobiology, BMC, Sölvegatan 19, 223 62, Lund, Sweden,
defense location
BMC, Rune Grubb salen
defense date
2000-05-27 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUMEDW/MECM--00/1047--SE
ISBN
91-7874-071-1
language
English
LU publication?
yes
id
320ab575-edaf-4ab7-9b15-65e5ec589746 (old id 40539)
date added to LUP
2007-06-20 11:51:50
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@misc{320ab575-edaf-4ab7-9b15-65e5ec589746,
  abstract     = {Interleukin (IL)-1beta is one of the most pleiotropic and potent cytokines, produced predominantly by activated monocytes and macrophages. IL-1 plays an important role in normal immunoregulatory processes but also in pathophysiological inflammatory responses. In the present study, we developed a model for active IL-1beta secretion. A retroviral vector containing a cDNA construct encoding the mature form of IL-1b, fused to a signal sequence (ssIL-1beta), was used to transduce target cells. Analysis of cell lysates and supernatants of the transfected target cells showed that the addition of a signal sequence resulted in high extracellular release of the protein, whereas the protein retained intracellularly if the signal sequence was absent. We further evaluated how local and active release of IL-1beta from tumor cells influenced an antitumor immune response against the poorly immunogenic murine B16 melanoma. We showed that the in vivo tumor growth of IL-1beta-transduced tumor cells was significantly reduced when IL-1beta was locally secreted in the tumor area. The tumor growth inhibition correlated with infiltration of macrophages, CD4+ T cells and dendritic cells. We further demonstrated that vaccination with irradiated IL-1beta-secreting tumor cells, stimulated a T cell dependent, long lasting anti-tumor immunity against the wild type B16F10 tumor. In contrast, nontransduced irradiated tumor cells possessed little or no ability to stimulate systemic antitumor immunity. To evaluate the biological effect of over-expression of IL-1beta in lymphoid tissue, we further generated transgenic mice that expressed the ssIL-1b gene construct under the control of a mouse immunoglobulin enhancer. We found that these mice developed a number of abnormal features such as lymphoid hyperplasia, aberrant architecture of lymphoid organs, hypergammaglobulinemia and appearance of activated CD4+ T cells. In conclusion, IL-1beta may be therapeutically useful to augment antitumor immune responses, when locally secreted during the vaccination phase. However, demonstrated by our transgenic model, IL-1beta might in a more chronic setting lead to pathological conditions such as unregulated proliferation and activation of lymphocytes.},
  author       = {Björkdahl, Olle},
  isbn         = {91-7874-071-1},
  keyword      = {serologi,Immunologi,transplantation,Immunology,serology},
  language     = {eng},
  pages        = {135},
  publisher    = {ARRAY(0x9914ef0)},
  title        = {Effect of IL-1beta secretion on lymphoid tissue and on antitumor immune responses},
  year         = {2000},
}