Activation of murine cytotoxic cells with interelukin-2 and the bacterial superantigen staphylococcal entertoxin A.

Abstract

Natural killer (NK) cells and T lymphocytes are the major effector cells that can recognize and kill tumor cells. NK cells have a constitutive cytotoxic activity and kill a wide spectrum of tumor cells while T cells recognize specific tumor antigens and need to be activated through their TCR to differentiate into cytotoxic T lymphocyte (CTL) killers or T helper cells. Interleukin-2 is the principal growth factor for both NK and T cells. Both in vitro and in vivo stimulation with IL-2 and the superantigen, Staphylococcal enterotoxin A (SEA) were used to characterize murine cytotoxic cells functionally and phenotypically. Culturing of lymphoid cells with IL-2 preferentially expanded NK cells and induced lymphokine activated killer (LAK) activity that preferentially was mediated by IL-2 activated NK cells (NK-LAK) and only to a minor extent by T cells (T-LAK). Stimulation of lymphoid cells with SEA preferentially expanded T cells expressing certain TCR variable beta elements both in in vitro culture and in vivo following intraperitoneal (i.p.) injections of SEA. T cells responded with induction of profound cytokine production and cytotoxic activity that could be targeted to tumor cells expressing MHC class II, this is termed staphylococcal enterotoxin dependent cell-mediated cytotoxicity (SDCC). However, SEA induced effects are transient and anergy and deletion eventually develop which lead to reduced endogenous IL-2 production and CTL activity. We could show that continuous IL-2/IL-2R stimulation through i.p. injections of rIL-2 twice a day had multiple effects on SEA induced T cell activity. Exogenous IL-2 increased T cell expansion and superinduced as well as prolonged CTL activity. Exogenous IL-2 also prevented SEA induced down-regulation of cytotoxic activity and cytokine production with maintained high levels of SDCC and endogenous IL-2 production. Combined treatment with SEA and IL-2 further superinduced cytokine production. Collectively, these data support that administration of continuous IL-2/IL-2R stimulation might be advantageous for SEA based tumor therapy.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tumörer uppstår då celler i kroppen plötsligt börjar växa och dela sig obehindrat. Tumöromvandlingen är ett resultat av mutationer i cellens gener som kontrollerar hur celler tillväxer och differentieras. Sådana gener kallas för onkgener och suppressorgener. Tumörer som respekterar sin omgivning kallas för benigna men så snart de börjar växa invasivt in i omkringliggande vävnad eller in i blod- och lymfkärl kallas de för maligna eller för cancer. Denna process genom vilken tumörer sprider sig kallas för metastasering. Tumörceller får ofta en förändrad ytstruktur vilken kan kännas igen av naturliga mördarceller (NK) celler som har förmåga att döda tumörceller. Evolutionen har utvecklat ett system för att via speciella molekyler (MHC) presentera små fragment av äggviteämnen inifrån cellen för att vårt immunsystem skall kunna känna av förändringar som sker i celler, såsom virusinfektion eller tumöromvandling. Delar av det muterade äggviteämnet kommer att presenteras på MHC molekyler vilket skapar förutsättningar för att T lymfocyter skall kunna identifiera tumöromvandlade celler via sin speciella receptor, T-cells receptorn (TCR). Ett problem med tumörer är att de alltid är heterogena till sin natur vilket gör att de nedreglerar eller tappar sitt uttryck av MHC molekyler och tumörantigen. Detta kan leda till att tumörceller undslipper både NK och T celler vilket försvårar en effektiv avstötning av tumören. Eftersom T celler inte heller normalt patrullerar vår perifera vävnad där tumörer ofta uppstår måste en immunreaktion initieras. Detta kan ske genom celldöd, nekros, som leder till en aktivering av lokala faktorer som inducerar inflammation i tumörområdet. Professionella antigen presenterande celler (APC) äter upp nekrotiskt material och presenterar detta som tumörantigener på sina MHC molekyler och vandrar därefter till dränerande lymfkörtlar. Här presenteras tumörantigenerna för cirkulerande CTL och T-hjälparceller (Th) som därvid aktiveras och utvecklas till respektive fullmogna Th celler som producerar hjälpfaktorer (cytokiner), såsom interleukin-2 (IL-2), interferon (IFN-gamma) och tumörnekrosfaktor (TNF) och mördar T-celler. Cytokinerna är viktiga för aktivering av T-cellerna själva men också för aktivering av andra T-celler, NK-celler och makrofager. Aktiverade celler transporteras via utgående lymfan och via blodet ut till kroppens alla delar. För att de tumörspecifika T cellerna skall hitta rätt krävs att det i tumörområdet uppstår inflammation, som leder till uppreglering av molekyler på ytan av blodkärlen som de aktiverade lymfocyterna kan binda till. Denna process kallas för homing och resulterar i att lymfocyterna som "homat" till tumörområdet kan pressa sig igenom endotelcellerna och infiltrera in i tumörområdet. Väl på plats kan T cellerna specifikt känna igen och döda tumörceller antigen via cell-medierad cytotoxicitet eller via produktion av direkt tumörcytotoxiska cytokiner. Produktion av inflammatoriska cytokiner behövs för att infiltrerande lymfocyter skall kunna upprätthålla sin aktivitet och för rekrytering av nya lymfocyter till området. Denna avhandling fokuserar på aktivering och reglering av NK och T celler som är av betydelse för cytotoxisk aktivitet mot tumörceller och för potentiell immunterapi av cancer. Aktivering av NK och T celler kräver olika signaler för optimal aktivering. NK celler har en inneboende cytotoxisk aktivitet som kan ökas genom stimulering med lösliga cytokiner, t. ex. IL-2. T-celler å andra sidan kräver två signaler för optimal aktivering. Signal 1 medieras via T-cells receptorn då den binder sitt antigen/MHC complex på APCs och signal 2 via interaktioner mellan costimulatoriska molekyler på T-cellen och APC. Costimulering är framför allt cellbunden men kan även bestå av lösliga faktorer såsom cytokiner. Stimulering av lymfocyter från blodcirkulationen, lymfkörtlar eller mjälten med IL-2 under 3-5 dagar resulterar i bred kraftig cytotoxisk aktivitet mot tumör celler och har kallats Lymfokin aktiverad killer (LAK) cells aktivitet. Vi har visat att LAK-aktivitet framför allt medieras av IL-2-aktiverade NK celler (NK-LAK) och endast till en mindre del av T-celler (T-LAK). NK-LAK identifierar sin målcell via NK cellers naturliga igenkänningsmekanismer men har fått en förhöjd cytotoxisk aktivitet. T-LAK cellernas igenkänning är fortfarande ej helt klarlagd men medieras troligen både via TCR beroende och oberoende mekanismer, vilka underlättas av T-cellens hyperaktiva tillstånd. IL-2 aktiverade NK celler har använts till försök med immunterapi men har fått en begränsad användning pga biverkningar av de höga doser IL-2 som krävs. En vidareutveckling av denna tanke har varit att in vitro odla T-celler som vandrat in i tumören. Detta har visat sig vara mer effektivt men är oerhört resurskrävande och har också begränsats av biverkningar. Nyligen har en ny typ av ämnen, Superantigener, identifierats som har egenskapen att aktivera ett stort antal av våra T-celler, både mördar T-celler och cytokin-producerande hjälpar-T-celler. Vi har studerat superantigenet Staphylococc enterotoxin A (SEA) som produceras av bakterien Staphylococcus aureus. SEA binder till MHC klass II molekyler på APC och till en speciell del på TCR på T-cellen och stimulerar härigenom T-celler till cytokin produktion och till utveckling av cytotoxisk aktivitet. SEA har visats kunna omdirigera T-celler oberoende av sin specificitet till MHC klass II uttryckande tumörer och även mot tumörer som ej uttrycker MHC klass II genom att koppla ihop SEA med en monoklonal antikropp som binder till tumörer. Avdödningen av tumörceller kan således ske på två sätt. i) Direkt bindning och dödande av tumörcellen genom att SEA bildar en brygga mellan TCR och MHC klass II, Superantigen beroende cell-medierad cytotoxicitet (SDCC). ii) Produktion av cytokiner med tumörcytotoxisk effekt, IFN-gamma och TNF. Sannolikt är båda typer av betydelse för en effektiv antitumör effekt. Vi har visat att SEA stimulering i kombination med exogen tillförsel av IL-2 leder till en kraftig ökning av SDCC aktivitet och en bibehållen hög aktivitet i 8 dagar jämfört med 2-3 dagar med SEA ensamt. Även om SEA-effekten kunde förlängas är de till slut övergående och för att uppnå en längre effekt måste upprepade stimuleringar med SEA ske. T-cells aktivering är dock noggrannt kontrollerad av flera olika mekanismer för att undvika utveckling av autoimmuna reaktioner. Detta sker genom induktion av tolerans; eliminering av celler (deletion) och avstängning av cellers funktion (anergisering). Upprepad stimulering av T celler med SEA leder till både deletion och således färre SEA reaktiva celler och anergi vilket leder till nedreglering och senare uteblivet svar på stimulering. Vi har visat att SEA inducerad nedreglering av T-cells aktivitet kan motverkas genom att tillföra IL-2 kontinuerligt under tiden för stimulering. På detta vis kunde hög SDCC aktivitet mot tumör upprätthållas i minst 12 dagar och under denna tid kunde T-cellerna fortfarande svara på stimulering med SEA. Dessutom ledde upprepad SEA stimulering i kombination med IL-2 till en superinduktion av cytokinerna IFN-gamma, TNF och IL-6, som alla har en effektiv antitumör aktivitet. Vi har inte direkt kunnat visa att deletion eller anergi kunnat motverkas på cellulär nivå, men däremot på populationsnivå. Vi tror därför att kontinuerlig stimulering av SEA-aktiverade T-celler med hjälp av IL-2, kan upprätthålla T-cells aktivitet och motverka induktion av tolerens. Då nedreglering av T-cells aktivitet är ett potentiellt problem i SEA-baserad immunterapi mot tumörer skulle exogen IL-2 stimulering därför kunna vara av stort värde. IL-2 stimulering potentierar dessutom både den cell-medierade cytotoxiska aktiviteten mot tumörer och produktionen av cytokiner med förhöjd antitumör aktivitet som resultat.

• author: Belfrage, Hans
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Zeuthen, Jesper, Division for Cancer Biology, Department of Tumor Cell Biology, Copenhagen, Denmark
• organization: Surgery (Lund)
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Immunologi, transplantation, serology, Immunology, cytokine, tolerance, LAK, NK, serologi, CTL, Staphylococcal enterotoxin A, SEA, Interleukin-2, murine, deletion, anergy
• pages: 58 pages
• defense location: Föreläsningssalen Wallenberglaboratoriet, Sölvegatan 33, Lund, Sweden
• defense date: 1996-09-27 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/METI-1013-SE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b51f871a-815b-4f21-a2c0-8108fb14dfed (old id 28636)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:15:50
• date last changed: 2018-11-21 20:57:45