Modulation of Autoimmunity by Linomide treatment or interference with costimulation

Abstract

Linomide is a potent immunomodulator that has been shown to inhibit autoimmunity in several animal models of autoimmune disease. We have approached the cellular and molecular mechanism of Linomide by investigating its effect on thymocyte development and its capacity to modulate the expression of activation markers on antigen presenting cells (APCs). We found that Linomide treatment of mice resulted in a dramatic decrease in thymic cell number with the most profound effect on immature CD4+CD8+ thymocytes. Mature thymocytes were more resistant to Linomide, and exhibited an enhanced proliferation ex vivo after in vivo Linomide treatment. We also found that Linomide treatment resulted in an enhanced surface expression of several activation markers on APCs. The capacity of different Linomide analogues to upregulate MHC class II on the surface of macrophages correlates with the ability to inhibit experimental autoimmune encephalomyelitis, indicating that the effect of Linomide on APCs may be involved in the inhibition of autoimmunity. To evaluate the effect of enhanced APC activity in another model system, we treated mice induced to develop arthritis with an agonistic anti-CD40 monoclonal antibody (mAb). In contrast to the effect of Linomide treatment, anti-CD40 treatment resulted in an aggravated disease development, elevated serum titres of anti-collagen antibody and increased antigen-specific ex vivo IFN-gamma production. To further dissect the role of costimulatory molecules in the development of collagen-induced arthritis (CIA), we treated mice with anti-CD28, anti-CD80+CD86 (anti-B7) or anti-CD152 mAbs. Anti-B7, and to some extent also anti-CD28, inhibited CIA development and resulted in an increased ex vivo IFN-gamma production, whereas anti-CD152 treatment had no effect. Furthermore, anti-B7 inhibited CIA in IFN-gamma-deficient mice as well, indicating that the enhanced production of IFN-gamma observed after anti-B7 treatment of wild type mice, is not responsible for the protective effect of anti-B7. In conclusion, the results described in this thesis support modulation of APCs as an approach for the development of new treatments in the field of autoimmune diseases.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Immunologi står för läran om immunförsvaret. Under evolutionens gång har vårt immunförsvar utvecklats med oss, och skyddar oss effektivt mot många olika virus, bakterier, parasiter och oönskade främmande ämnen. Hos ryggradsdjuren har immunförsvaret utvecklats till ett komplext system där flera olika specialiserade celler och molekyler samverkar för att uppnå ett optimalt försvar mot infektioner. Huden, tarmarna och slemhinnorna utgör våra barriärer mot omvärlden, och innehåller därför rikligt med immunceller, likaså gör tex. lungorna och levern, dvs. organ som utsätts för stora doser av oönskat material och skall bryta ned detta. Immunförsvarets olika celltyper, de s.k. vita blodkropparna eller leukocyterna, bildas i benmärgen och kan delas upp i myeloiska och lymfoida cell typer.



Monocyter (ett förstadium till makrofager) och granulocyter cirkulerar i blodet och har stor potential att direkt fagocytera (äta upp) och förgöra oönskade inkräktare, tex. i inflammationshärdar. Dendritcellernas (DC) huvuduppgift är bl.a. att bevaka våra kroppsytor och därför finns det rikligt med DC i huden. Om en skada sker, plockar DC upp partiklar som kommit in i kroppen och börjar sedan förflytta sig mot lymfkörtlarna (LK). I LK presenterar DC protein fragment av det som kommit in i kroppen för CD4+ hjälpar T celler. Om en CD4+ T cell känner igen detta fragment som främmande via sin T cells receptor, aktiveras den och kan då sätta igång flera olika delar av immunförsvaret. Man kan säga att aktiverade CD4+ fungerar som dirigenter, och är därför också ytterst viktiga för att styra in immunsvaret i rätt riktning. Tex. formas B cellernas antikroppsproduktion efter vilka signaler den aktiverade CD4+ T cellen skickar ut. Vidare behövs aktiverade CD4+ T celler indirekt för att aktivera CD8+ cytotoxiska T celler. CD8+ T celler fungerar som målinriktade missiler och dödar tex. virusinfekterade celler. Förutom DC, kan makrofager och B celler också presentera protein fragment (antigener) för T celler och tillsammans kallas dessa celler därför för antigen-presenterande celler (APC).



För att uppnå full aktivering behöver CD4+ T celler ytterligare signaler, vid sidan av den som de får via T cells receptorn. Dessa kompletterande signaler kallas för costimulering. APC utrycker mycket costimulerande molekyler som bidrar till att de är så effektiva när det gäller att aktivera T celler. CD80 och CD86 (kallas gemensamt för B7) är ytmolekyler som uttrycks på APC. När B7 binder in till CD28, som uttrycks på T cellen, skickas signaler in i T cellens kärna som resulterar i att cellen erhåller nya egenskaper. På samma sätt aktiveras APC genom sin CD40 molekyl när den binder till CD154 på T cellen. Immunförsvarets celler kommunicerar också via lösliga faktorer. Cytokinerna är en stor grupp av sådana substanser vars egenskaper varierar från att locka till sig, aktivera, differentiera, hämma eller tom döda andra celler.



En mycket viktig egenskap hos immunförvaret ligger i att det måste kunna "se skillnad" på själv och icke-själv. Dvs. immunförsvaret skall bara reagera på främmande och farliga agens, och inte på kroppsegna substanser och vävnader. Denna egenskap kallas "tolerans mot själv". Tolerans mot själv upprätthålls genom att de celler som har hypervariabla antigenreceptorer, dvs. T celler och B celler, genomgår noggranna selektionsprocesser där celler som känner igen kroppsegen vävnad utplånas. För T cellernas räkning sker detta i tymuskörteln (brässen) medan B cellerna selekteras i benmärgen. Selektionsprocesserna fungerar dock inte alltid perfekt, och ibland slipper celler med självreaktivitet (autoreaktivitet) igenom och kommer ut i cirkulationen. För att skydda kroppen mot dessa potentiellt autoaggressiva celler har vi perifiera kontrollmekanismer. En anledning till att autoimmunitet (immunreaktivitet mot själv) uppstår kan vara att dessa kontrollmekanismer inte fungerar som de skall. Följderna av detta kan leda till uppkomsten av autoimmuna sjukdomar (kronisk inflammation). En aktivering och ökning av antalet autoreaktiva T celler som cirkulerar i kroppen tros vara en viktig orsak till att autoimmuna sjukdomar uppstår. Mycket av forskningen kring hur man kan hämma autoimmunitet kretsar just kring hur man skulle kunna kontrollera eller utplåna dessa skadliga T celler.



Linomide (quinoline-3-carboxamide, roquinimex, LS2616) är en substans som har visat sig ha mycket goda effekter på sjukdomförloppet i olika modeller för autoimmunitet. Pga. detta har Linomide, och en grupp av liknande substanser, ansetts vara lovande kandidater för läkemedel mot autoimmuna sjukdomar. Den fullständiga mekanismen bakom Linomides sjukdomshämmande effekt är okänd, men man tror att en stor del av effekten beror på en minskad produktion av pro-inflammatoriska cytokiner (dvs. en minskning av de cytokiner som stimulerar inflammation).



Den här avhandlingen bygger på följande delarbeten, som handlar om: I) hur Linomide påverkar utmognaden av T celler i tymus och II) hur Linomide påverkar uttrycket av aktiveringsmarkörer på APC. Vi har också studerat konsekvenserna av III) att aktivera APC genom att stimulera CD40 receptorn, och IV) att blockera interaktionen mellan CD80 och CD86, med CD28 och CD152 i collagen-inducerad artrit, en modell för ledgångsreumatism.



Resultat och diskussion I delarbete I) visar vi att Linomide behandling av möss påverkar T cells utmognaden i tymus. Antalet omogna T celler i tymus, s.k. tymocyter minskar med hela 75% och det är celler i ett visst mognadsstadium (CD4+CD8+) som påverkas mest. Vi fann att anledningen till att cellantalet minskar så drastiskt kan bero på att dessa celler aktiveras till att genomgå programmerad cell död, s.k. apoptos, som inte var beroende av endogena glukocortikoider. Linomide behandlingen verkar dock inte vara generellt toxisk eftersom tymocyter i ett senare mognadsstadium är mer resistenta mot behandling, och t.o.m. uppvisar en ökad tillväxtförmåga vid polyklonal aktivering efter Linomide behandling. I delarbete II), visar vi att Linomide behandling av möss leder till ett ökat utryck av aktiveringsmarkörer på APC, i det här fallet peritoneala makrofager och B celler. När vi undersökte en grupp av Linomide-lika substanser, med varierande effekt på sjukdomsförloppet i experimentell autoimmun encefalomyelit (en mus modell för MS), fann vi ett linjärt samband mellan en viss substans förmåga att hämma sjukdom med förmågan att upreglera MHC klass II på ytan av makrofager. En ökad antigenpresenterande kapacitet i makrofager kan kopplas ihop med hämmning av autoimmunitet genom att en stark aktivering av T celler kan leda till att regulatoriska mekanismer uppstår, som i sin tur har en hämmande effekt på de sjukdomsalstrande T cellerna. Vidare kan en ökad APC aktivitet förklara effekten av Linomide på tymus, då APC är involverade i selektionsprocesserna av tymocyter som sker där. Delarbete III) För att undersöka om även en annan sorts APC aktivering kunde hämma sjukdomsförloppet i en modell för autoimmunitet, provade vi att aktivera APC genom CD40 receptorn. Detta är en mycket potent aktiveringssignal för APC som leder till ett ökat uttryck av aktiveringmarkörer och till cytokin produktion. Till skillnad från Linomides effekter, ledde CD40-aktivering till ett ökat sjukdomsförlopp, vilket visar att dessa två olika sätt att aktivera APC leder till väsentligt skiljda effekter. Delarbete IV) T celler behöver ett flertal signaler för att aktiveras fullt ut, bl.a. de som uppstår när TCR och CD28 interagerar med sina respektive ligander. Den APC som presenterar ett antigen för en T cell måste således uttrycka liganderna för CD28, dvs. CD80 och CD86. CD80 och CD86 kan också binda till CD152, en molekyl som induceras på ytan av aktiverade T celler, och reglerar deras funktion. Ett flertal tidigare studier har föreslagit interferens med CD28-signalen som ett sätt att minska de sjukdomsalstrande T cellernas aktivitet i autoimmunitet. I delarbete IV beskriver vad som händer med, sjukdomsförloppet i collagen-inducerad artrit och, immunrespons parametrar som man tror påverkar sjukdomsförloppet i denna modell, när man interfererar med interaktionen mellan CD28 och CD152 och deras ligander CD80 och CD86.



Resultaten från studierna i den här avhandlingen har bidragit till att öka kunskapen kring Linomides immunmodulerande effekt och vi föreslår en potentiell verkningsmekanism för dess sjukdomshämmande effekt. Vidare har vi undersökt hur sjukdomsförloppet och olika immunrespons-parametrar påverkas av att man interfererar med costimulering, dvs. de kompletterande signaler som behövs för en optimal aktivering av immunförsvaret, i en djurmodell för ledgångsreumatism.

• author: Tellander, Annamaria C
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Ljunggren, Hans-Gustaf, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: oncology, Cytology, collagen-induced arthritis, CD28, CD40, antigen presenting cells, Linomide, thymocytes, cancerology, Cytologi, onkologi, cancer
• pages: 133 pages
• defense location: Segerfalk salen at Wallenberg Neurocenter, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2000-11-09 13:15:00
• ISBN: 91-628-4462-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6293a512-8f09-4601-b052-499bf7387ec4 (old id 40901)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:29:08
• date last changed: 2018-11-21 20:59:02