Circulating Human Basophils and Dendritic Cell Subsets. Aspects of antigen recognition and presentation in type I allergic immune responses

Abstract

Allergic diseases currently affect a third of the population in the industrialized parts of the world. Despite this, the cellular and molecular mechanisms involved in the induction and activation of allergic diseases are not fully clarified.

Dendritic cells (DCs) link the innate and adaptive immunity and play vital roles in protective immunity against pathogens, as well as in inducing tolerance to self-antigens, by regulating T cell responses. In allergic reactions, a dysregulated immune response is mounted against harmless compounds, such as pollen. Basophils are mainly known as effector cells in allergic responses where they release e.g. histamine after allergen-recognition, but basophils are also thought to be involved in other human disorders such as parasite infections and organ rejection, and were recently proposed to act as allergen-presenting cells in mice.

This thesis, based upon five original papers, describes the role of DCs and basophils in allergy and immune regulation and give insights into mechanisms underlying allergic responses. In Paper I, we demonstrate a potent ability of human CD1c+ DCs, in contrast to plasmacytoid DCs and basophils, to activate Th2 responses in vitro, upon grass pollen stimulation of cells from allergic individuals. By performing phenotypical profiling of multiple pattern recognition receptors (PRRs) on four DC subsets, as well as basophils, isolated from human peripheral blood from allergic and non-allergic individuals, we demonstrate discriminative PRR expression profiles of the DC subsets and basophils in Paper II and IV, respectively. In Paper III and IV, we describe how the cellular frequencies of DC subsets and basophils, as well as their expression levels of PRRs and Fc receptors, alter during the first year of allergen-specific immunotherapy (AIT), proposing a modified ability of DC subsets and basophils to interact with allergens. Furthermore, in Paper V, we designed and produced a hypoallergen and used the basophil activation test to confirm its hypoallergenicity. This hypoallergen could potentially be used in AIT, instead of allergen extracts, to decrease the risk of adverse systemic reactions.

In conclusion, we have identified subset-specific characteristics within the DC population in both function and phenotype, implying subset-specific responsiveness when targeted for treatment of immunological disorders such as allergy. We further propose new ways in which basophils interact with their surroundings.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En tredjedel av befolkningen i världens industrialiserade länder lider av allergi, t.ex. allergisk rinit (hösnuva). Trots detta vet man relativt lite om de cellulära och molekylära mekanismer som ligger till grund för det immunologiska svaret vid allergi. Genom att studera dessa mekanismer kan man hitta sätt att angripa dem, vilket förhoppningsvis kan leda till bättre läkemedel och ökad livskvalité för människor med allergi.



Dendritiska celler (DCs) är en heterogen cellpopulation som spelar en viktig roll i det allergiska förloppet. De uttrycker speciella proteiner, så kallade igenkännings-receptorer, på sin yta som känner igen typiska mönster på patogener, men även på allergiframkallande ämnen. DCs sammanlänkar det medfödda och det adaptiva immunförsvaret, där det medfödda immunförsvaret ger ett snabbt svar, medan det adaptiva immunförsvaret tar längre tid att skapa men å andra sidan ger ett specialdesignat och kraftfullt svar mot patogener genom aktiverandet av så kallade T- och B-celler. T-celler kan direkt döda infekterade celler, samt aktivera B-celler. B-cellerna producerar antikroppar som binder protein, så kallade antigen, på patogenerna som då lättare kan upptäckas, och därmed också förstöras, av andra vita blodkroppar. DCs avgör inte bara att en immunrespons ska startas, utan också vilken sorts immunrespons som ska aktiveras för att på bästa sätt bekämpa patogenen. Det adaptiva immunförsvaret skapar dessutom ett minne, som gör att ett snabbt och kraftfullt immunsvar startas om samma angripare återkommer. DCs medverkar också i utvecklingen av tolerans så att immunförsvaret inte aktiveras mot kroppsegna eller andra ofarliga ämnen. Ibland händer det ändå att immunförsvaret skapar ett felaktigt svar mot i vanliga fall ofarliga ämnen, som t.ex. pollen eller kvalster, vilket leder till allergi.



I utvecklingsfasen av allergisk rinit fångar DCs i lung- eller näsvävnad upp t.ex. pollen och transporterar det sedan till lymfnoder. Där presenterar de pollen i små bitar på sin yta för specifika T-celler som aktiveras. De specifika T-cellerna utsöndrar inflammatoriska ämnen och aktiverar speciella B-celler som börjar producera allergi-associerade IgE-antikropparna. IgE fäster på ytan av två andra vita blodkroppar; basofiler och mastceller. När dessa IgE kommer i kontakt med samma pollen korslänkas de och aktiverar basofilerna och mastcellerna som då släpper ut ämnen såsom histamin och leukotriener. Dessa ämnen bidrar till allergisk inflammation med symptom såsom snuva och rinnande ögon.



Den här avhandlingen beskriver humana DCs och basofilers roll i allergi och sätter även in dem i ett mer övergripande immunologiskt sammanhang. På grund av det låga antalet av både DC och basofiler i blodet är de svåra att isolera och studera. Med hjälp av nya tekniker har det visats att DC populationen egentligen består av fyra olika subpopulationer som alla uppvisat olika funktioner. Subpopulationernas roller i allergi är dock fortfarande relativt oklara. Basofiler har, utöver sin roll som histaminutsläppande effektorceller, även visats ha en immunreglerande roll. Nyligen visade det sig t.ex. att basofiler från mus kunde presentera antigen för T-celler och aktivera allergiska responser, men om de hade samma funktion i människa var okänt.



I artikel I isolerade vi två subtyper av DC, samt basofiler, ur blod från gräspollenallergiker. Vi odlade även fram en DC-population från monocyter. Vi visade att den ena DC-populationen kraftfullt aktiverade ett allergiskt immunsvar medan den andra inte gjorde det. Detta tyder på olika funktioner av dessa DC-populationer i allergi. Vi visade även att humana basofiler inte kan presentera antigen för T celler och aktivera ett allergisvar, vilket tidigare har visats i musstudier. Dessa resultat kan användas för att specifikt angripa den allergiaktiverande DC-populationen med allergidämpande läkemedel.



I artikel II och IV studerade vi uttrycket av flera olika igenkännings-receptorer på de fyra DC-populationernas och basofilers yta. Vi visade att alla DC-populationer uttryckte olika mängd av receptorerna och att DC-populationerna kunde särskiljas med avseende på deras receptoruttryck. Även basofiler visades för första gången uttrycka flera igenkännings-receptorer. Detta antyder att basofiler inte bara är effektorceller utan även att de spelar en reglerande roll i det medfödda immunförsvaret. Inbindning av antigen till igenkänningsreceptorer kan leda till olika immunsvar beroende på receptorn, t.ex. aktivering av cellen eller inducering av ett mer tolerans-betonat svar. De olika DC-populationernas och basofilernas distinkta receptoruttryck tyder därför på att de har specifika funktioner, och att de har olika förmåga att interagera med patogener och ämnen som kan orsaka allergiska reaktioner. Framtida försök med avsikt att studera dessa funktioner är därför av intresse.



Allergi-specifik immunterapi (AIT) är den enda behandling av allergi som ger långtidsverkande positiva effekter på allergikers felaktiverade immunförsvar. AIT verkar genom att inducera tolerans och återställa den felaktiga respons som startats mot t.ex. pollen. AIT hjälper dock inte alla, det tar lång tid (3-5 år) och kan leda till allvarliga bieffekter. Ökad förståelse för de molekylära och cellulära-mekanismerna som leder till tolerans-inducering efter AIT kan därför leda till säkrare och mer effektiva AIT-vaccin.



I artikel III och IV visar vi att receptoruttrycket på, samt frekvensen av, de olika cellpopulationerna förändrades hos allergiska individer som genomgått ett år av AIT. I våra studier såg vi bl.a. att allergiker hade lägre nivåer av igenkänningsreceptorn CLEC9A på ytan av en viss DC-population jämfört med friska personer, samt att denna skillnad återställs efter ett år av AIT. Därutöver visade vi att frekvensen av den DC-population som tidigare antytts ha en mer tolerans-inducerande roll ökar i blodet efter ett år av AIT. Andelen basofiler, samt andelen av två av DC-populationerna, som uttrycker specifika allergi-associerade receptorer minskade även efter ett år av AIT, vilket tyder på en minskad förmåga att interagera med allergi-associerade antigen, som t.ex. pollen. Våra resultat påvisar cellulära och molekylära mekanismer som skulle kunna ligga till grund för det mer tolerans-inriktade immunsvaret som uppstår efter AIT. Detta kan i förlängningen leda till mer riktade behandlingsmetoder där särskilda proteiner på olika cell-populationer angrips för att få ett önskat immunsvar.



I artikel V producerade vi ett gräspollen-antigen som inte leder till ett allergiskt immunsvar i samma utsträckning som vanligt gräspollen, ett så kallat hypoallergen. Tanken med hypoallergenet är att det ska ersätta de nuvarande gräspollen-antigenen i AIT-vaccin och vara ett säkrare alternativ, med minskad risk att aktivera farliga bieffekter. Samtidigt ska de behålla sin förmåga att inducera tolerans mot det ursprungliga gräspollen-antigenet. Vårt hypoallergen gen-modifierades i de delar som binder IgE. Vi kunde sedan uppvisa en minskad förmåga av hypoallergenet att aktivera basofiler och släppa ut histamin, vilket motsvarar en minskad risk för farliga bieffekter. Fortsatta studier för att ta reda på hypoallergenets tolerans-inducerande egenskaper behöver nu genomföras innan det kan användas i allergi-vaccin.

• author: Rydnert, Frida
• supervisor: Malin Lindstedt
• opponent: Hoffmann, Hans Jürgen, Department of Allergy and Pulmonary Medicine, Institute for Clinical Medicine, Aarhus University, Denmark
• organization: Department of Immunotechnology
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area
• keywords: Dendritic cells, basophils, allergy, pattern-recognition receptors, allergen-specific immunotherapy
• defense location: Hörsalen, Medicon Village, Scheelevägen 2, Lund University, Lund
• defense date: 2015-12-11 09:15:00
• ISBN: 978-91-7623-516-4
• ISBN: 978-91-7623-517-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: dee26788-fe98-45f7-beb2-f11132637679 (old id 8170499)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:01:13
• date last changed: 2018-11-21 21:17:47