multipla effekter av CD40-CD40L-axeln i immunitet mot infektion och cancer

introduktion

CD8+ cytotoxiska T-lymfocytsvar (CTL) spelar en avgörande roll i immunitet mot infektion och cancer.1 tre viktiga molekylära signaler krävs för att generera effektiva CTL-svar. Signal 1 levereras när antigenspecifik t-cellreceptor (TCR) binder till peptidbelastat stort histokompatibilitetskomplex (MHC) på antigenpresenterande celler (APC) och signal 2 genereras genom ingrepp av kostimulerande molekyler, nämligen B7-1 (CD80)/B7-2 (CD86) och CD28 (t.ex. T-cell CD28/APC CD80).1 följd av AG–specifika T-cell-APC-interaktioner bildas en immunologisk synaps innefattande ett centralt kluster av TCR–MHC-peptidkomplex och CD28–CD80-interaktioner omgivna av ringar av förlovade tillbehörsmolekyler (t.ex. komplexformad LFA–1-CD54).1-3 den tredje signalen är utsöndringen av cytokiner, som ytterligare förbättrar, modifierar och snedvrider de svarande effektor-CTL: erna.4,5 om signal 1 genereras i frånvaro av signal 2, gör den tolerans istället för immunitet.6 således är costimulering eller effektivt engagemang av olika ytmolekyler på APC och T-celler viktigt för att utlösa effektiva immunsvar.

Kostimulatoriska molekyler är vanligtvis uppdelade i två grupper: CD28/B7-familjegruppen och tumörnekrosfaktor (TNF)/tumörnekrosfaktorreceptor (tnfr) familjegrupp. CD28 är en T-cell ytreceptor som binder till kostimulatoriska molekyler B7-1 (CD80) och B7-2 (CD86) på APC: er såsom dendritiska celler (DCs) och makrofager, och är involverad i utlösning av cellmedierade immunsvar.7 den hämmande molekylen i CD28-familjen är cytotoxiskt t-lymfocytantigen 4 (CTLA-4). CD28 och CTLA – 4 är två receptorer som känner igen samma ligander (B7-molekyler) men har motsatta funktionella effekter på T-cellaktivering.8 CD40 är medlem i tnfr-familjen, som inkluderar OX40 (CD134), 4-1BB (CD137) och CD27.9 OX40 uttrycks på aktiverade T-celler, medan dess ligandpartner OX40L ligger på APC.10 4-1BB (CD137) uttrycks på B-celler, makrofager och DCs, medan dess ligand 4-1bbl uttrycks på DCs och makrofager.11 liganden för CD27, CD70, finns också på APC.12 TNF / tnfr-familjemedlemmar induceras i timmar till dagar efter TCR-engagemanget och involverar senare stadier av T-cellaktivering.13 i den här översynen fokuserar vi på CD40–CD40L-engagemang i licensiering av DCs, främjande av T-cellminne och omvandling av CTL-utmattning vid kronisk infektion.

CD40-receptorn och dess ligand CD40L (CD154) tillhör TNF:tnfr-familjen. CD40 identifierades ursprungligen som en ytmarkör på blåskarcinomceller och B-celler.14 senare har CD40 visat sig uttrycka på B-celler, makrofager och DC, liksom många nonimmuna celler. CD40-CD40L signalering i B-celler är viktigt för generering av långlivade plasmaceller och minne B-celler samt för deras överlevnad. Här fokuserar vi på rollen som CD40–CD40L-signalering i t-cellimmunitet. CD40L är en naturlig ligand för CD40 och ett typ II, 39-kDa membranglykoprotein. Efter CD40-CD40L-interaktion på cellytan; intracellulär signalering underlättas genom rekrytering av TNFR-associerade faktorer (traf) i det inre membranet i celler, vilket leder till aktivering av olika vägar, såsom den kanoniska och icke-kanoniska kärnfaktorn kB-vägen, mitogenaktiverade proteinkinaser, fosfatidylinositol-3-Kinas (PI3K) och fosfolipas Cy-vägen.15 CD40-CD40L är ett par costimulatoriska molekyler, och deras interaktion är nödvändig för framgångsrika adaptiva immunsvar. Det finns en uppsjö av rapporter som tyder på vikten av CD40-CD40L interaktion i immunsvar främst i utvecklingen av CD8 + CTL. Två modeller har föreslagits av olika laboratorier angående CD40-signalering i CTL-svar.16 den första modellen antyder att stimuli från CD40L av CD4 + T-hjälparceller (TH) till CD40-Uttryckande DCs är väsentliga för DC-mognad (licensiering), och i sin tur kan licensierade DCs utlösa effektiva CTL-svar.16 kravet på CD40 i DC-licensiering kan emellertid kringgås av inflammatoriska svar på patogener som aktiverar APC direkt.17 den andra modellen antyder att CD40L-Uttryckande CD4 + T-celler aktiverar CD40-Uttryckande CD8 + T-celler direkt, 18 förutspår att CTL-svar på alla antigener kräver CD40-signalering på CD8+ T-celler. Sammantaget ger de viktiga rollerna för CD40-CD40L-interaktion upphov till många immunhändelser, vilket är mycket viktigt för värdförsvaret mot patogener och cancer.

CD40-signalering på DCs för DC-licensiering

immunsvar mot hjälpar-T-cellberoende antigener kräver CD4+ T-cellhjälp.19 DCs kan inte Primera na-T8 + T-celler i MHC II – knockout-möss (CD4+ T-brist). Det visades att CD4 + T-celler ger hjälp genom att engagera sina CD40L20 med CD40 på DCs och licens DCs för att göra dem till en kraftfull stimulator för immunsvar.19,21,22 senare föreslogs att licensierade DC: er förmedlar CD8+ T-cellsvar genom att förbättra B7-molekylernas uttryck och utsöndring av cytokiner såsom interleukin 12 (IL-12) som främjar t-celldifferentiering.21 dessutom orsakar CD40–CD40L-interaktion också ett ökat uttryck av MHC -, costimulatoriska och vidhäftningsmolekyler och resulterar i en förbättrad induktion av proinflammatoriska kemokiner och cytokiner i DCs.23 således ger aktivering av DCs genom CD40–CD40L-signalen ”CD4+ T-cellhjälp” som är nödvändig för att ge DCs möjlighet att korsa na-T-celler.24 men problemet var hur dessa tre celltyper, som är sällsynta och migrerande, finns på samma plats för att interagera med varandra. Dessutom finns det flera rapporter som gav inkongruösa resultat att CD4+ T-celler kan aktivera APC genom en CD40-oberoende väg.25,26 det föreslogs emellertid att när DCs aktiveras av kognata CD4+ T-celler, börjar DCs utsöndra kemokiner CCL3 och CCL4.27 kemokiner styr kognat interaktion av CCR5-Uttryckande CD8 + T-celler med licensierade DCs, vilket leder till att utlösa starka CTL-svar genom trecellsinteraktioner.27 vårt laboratorium tillhandahöll tidigare in vivo-bevis för en dynamisk trecellsinteraktionsmodell för CTL-svar, där en gång DCs licensieras av DC–CD4+ T-cellinteraktioner, kräver licensierad DCs inte samtidig närvaro av kognat CD4+ T–celler,16 som står i kontrast till den tidigare studien som tyder på absolut krav på DC–CD4+ T-CD8+ T ternära kluster för CTL-svar.18 det fastställdes emellertid inte om CD40–CD40L-interaktion inducerar DCs att utsöndra CCL3-och CCL4-kemokiner. Vidare var det inte känt om DCs licensierad genom CD40–CD40L-interaktion kräver CCR5-uttryck av CD8+ T-celler för att inducera CTL-svar.

CD40-signalering på CD8+ T-celler för t-cellminne

CD40 uttrycks inte bara på APC: er som B-celler och DCs, utan också på aktiverade CD8+ T-celler.23 Det var emellertid inte klart vilken cellpopulation som spelar en kritisk roll för att leverera CD40-signalering för CTL-svar. Bourgeois et al har visat att generering av minne CD8 + T-celler innebär uttryck av CD40 på CD8 + T-celler, men kräver CD4 + T–cell hjälp genom CD40–CD40L interaktion för att bilda DC–CD4+ T-CD8+ T ternära kluster.18 författare föreslog vidare att sådan CD4–CD8 T-cellinteraktion för CD40–CD40L-signalering absolut krävde DCs och trecellsinteraktioner, men aktivering av CD8+ T-celler var oberoende av CD40-uttryck av DCs.18 i en infektionssjukdomsmodell rapporterade en tidigare studie CD40L-uttryck på DCs och föreslog att CD40L-Uttryckande DCs kunde leverera CD40–CD40L-signalering på CD8+ T-celler för induktion av CTL-svar utan att kräva CD4+ T-celler.28 intercellulär trogocytos (ett nytt fenomen i cellulär immunologi) som är utbytet av membranmolekyler mellan immunceller såsom DCs och T-celler genom 1) internalisering och återvinning av molekyler i synaps bildad mellan DCs och T-celler, 2) dissociationsassocierad process, 3) absorption av DC-frisatta exosomer (EXOs) av T-celler och 4) upptag av DC-membrannanorör av T-celler har visat sig spela en viktig roll i modulering av immunsvar (Figur 1).29 tidigare föreslog vi en dynamisk tvåcellsinteraktionsmodell för induktion av CTL-svar.30 enligt denna föreslagna modell förvärvar CD4+ helper T-celler när de aktiveras av DCs inte bara de synapskomponerade MHC-klass II-och costimulatoriska molekylerna (CD54 och CD80), utan också åskådaren pMHC-i från APCs genom en process som kallas internalisering och återvinning av molekyler i synaps som bildas mellan DCs och T-celler (Figur 1), 31 och blir CD4+ T-helper APCs (Th-APCs) som direkt kan stimulera CD8+ CTL-proliferation och minnesbildning (Figur 1).2,3 vi visade att Th-APC också kan bildas genom DC-frisatt EXO-upptag (Figur 1).32,33 vi visade att icke-specifika CD4 + T-celler kan uppta antigenspecifika DC-frisatta EXOs och kan stimulera antigenspecifika CD8+ CTL-svar och långsiktigt t-cellminne.32 senare gav vårt laboratorium in vivo bevis för de direkta CD4+ T-cell–CD8+ T-cellinteraktionerna och visade att sådana interaktioner inte kräver samtidig närvaro av DCs.16 med hjälp av tvåfotonavbildning gav vi vidare bestämda bevis för att pMHC-i-förvärvade CD4+ T-celler direkt kan interagera med CD8+ T-celler för att leverera CD40L-signal in vivo.16 en ny studie från en annan grupp gav också tvåfotonbildningsdata som starkt stödde vårt resultat av direkta CD4+ T-cell–CD8+ T-cellinteraktioner.34 i en infektionsmodell visade Johnson et al att Murin mjält DCs uttryckte CD40L efter virusinfektionen eller Tollliknande receptorstimulering, vilket utlöste CTL-svar genom signalering av CD40 på CD8+ T-celler.28 vår studie visade tidigare att CD40L på CD4 + T-celler är avgörande för en direkt CD40-signalering på CD8+ T-celler som leder till ett effektivt CTL-svar vid icke-inflammatoriska tillstånd.16 vi rapporterade vidare att pMHC-i-komplex-förvärvade CD4 + TH-APC genom deras endogena IL-2-och CD40L-signalering förbättrar överlevnaden av överförda CTL och deras differentiering till funktionella minne CTL som kan skydda mot mycket metastaserande tumörutmaning.35 dessa fundings16, 21, 28, 33 tyder starkt på att CD40–CD40L-signalering är avgörande för ett effektivt CTL-svar, och att konsekvenserna av CD40-signalering är komplicerade och beror på vilken typ av celler som uttrycker CD40 och den miljö där CD40-signalen tillhandahålls.

Figur 1 CD40–CD40L interaktioner vid DC–T-cell och T-cell-t-cellgränssnitt. anmärkningar: cross-priming DC interagerar först med det antigenspecifika CD4+ T för det avgörande första steget i CD40-CD40L–beroende CTL-svar genom pMHC-II och TCR (signal 1), CD80–CD28 (signal 2) och cytokin (signal 3). CD40L-Uttryckande CD4 + T interagerar med antigenbärande CD40-Uttryckande DC, och sådana DC-CD4+ T–interaktioner resulterar i DC-licensiering och CD4+ T-cellaktivering (priming). Kognate CD8 + CTL kan sedan ta emot hjälpar–eller stimulerande signaler, inte bara från DC–CD4+ T-kluster utan också separat från fullständigt licensierade DCs-och CD4+ T-celler, även efter deras dissociation från DC-CD4+ T-kluster. CD4 + helper T-celler när de aktiveras av DCs förvärva inte bara synaps-sammansatt MHC klass II och costimulatory molekyler (CD54 och CD80), men också åskådaren pMHC-i från DC genom trogocytos (internalisering, dissociation–association, exosomer upptag, eller membrannanorör) och bli CD4+ TH-APCs, vilket resulterar i direkt CD4+ T–CD8+ T-cell interaktioner och därefter leverans av CD40L signalering till CD40-uttrycka CD8+ T-celler. förkortningar: APC, antigenpresenterande cell; CTL, cytotoxisk T-lymfocyt; DC, dendritisk cell; IL-2, interleukin 2; pMHC, peptid major histokompatibilitetskomplex; TCR, t-cellreceptor; TH-APC, t-hjälpreda APC.

motverkan av DC-tolerering av CD40-signalering

delmängder av DCs som presenterar signal 1 (t.ex. antigenpeptid–MHC-komplex) men inte signal 2 (costimulatorisk signal) definieras som ”omogna” eller ”tolerogena” DCs som kan inducera utveckling av CD4+ eller CD8+ regulatoriska T-celler och anergi av antigenspecifika T-celler.36 CD40-ligering har använts för att öka CD8+ T-cellsvar på tumörer och för att bryta perifer självtolerans.37 Brossart et al rapporterad generering av CD83-positiva mogna DCs, induktion av kärnlokaliserad RelB och hämning av IL-10R-uppreglering genom den lösliga CD40L-signaleringen,38 vilket indikerar att CD40-ligering kan motverka IL-10-medierad hämning på DC-funktion. Senare rapporterade Gurung et al att injektion av de CD40L-negativa na-orala apoptotiska T-cellerna, men inte de aktiverade apoptotiska CD4+ T-cellerna som uttrycker CD40L inducerade immuntolerans, och visade också att saminjektion av en agonistisk Anti-CD40 Ab med Na-orala apoptotiska T-celler inducerade robust immunitet.39 Higham et al rapporterade att lokal leverans av tumörreaktiva CD8+ T-celler konstruerade för att uttrycka CD40L konverterade tolerogena DC i prostata-dränerande lymfkörtlar.40 dessa fynd indikerar att T-cell CD40L-signal kan konvertera DC-tolerans. Vårt laboratorium visade tidigare att tolerogena CD4-8-mjält DCs kunde stimulera undertryckande typ 1 CD4+ regulatoriska T-cellsvar genom att omvandla tillväxtfaktor betasekretion.41 nyligen har vi funnit att anti-CD40 antikroppsbehandlad CD4-8-DCs uttryckte en högre mängd I−Ab, CD54, CD40, CD80 och CD86 och kunde stimulera CD4+ Th1 och CD8+ CTL− svar som leder till induktion av antitumörimmunitet, vilket indikerar att CD40-ligering effektivt omvandlar tolerogen CD4-8-DCs till immunogena.42 dessa data belyser vikten av CD40-signalering för att ta itu med frågan om tolerogen DCs.

omvandling av CD8+ CTL-utmattning genom CD40-signalering

t-cellutmattning är en av de viktigaste frågorna som leder till ineffektiv viruskontroll hos humana immunbristpatienter.43 CD8+ CTL-utmattning medierad av en programmerad celldöd ligand-1 (PD-L1) – väg förekommer i flera kroniska infektioner som resulterar i ineffektiv viruseliminering.44 programmerad celldöd protein-1 (PD-1) blockad har visat sig återställa funktionen av uttömda CD8+ T-celler under kronisk infektion.43 betydelsen av CD40L-inducerad signalering i samband med PD-1-blockad för att rädda CTL-utmattning föreslogs tidigare av Bhadra et al i en Toxoplasma-modell.45 författare rapporterade att blockad av CD40-CD40L-vägen upphävde de förbättrande effekterna av anti-PD-L1-behandling på uttömda CD8+ T-celler och identifierade CD40 som en av molekylerna bland en panel av costimulatoriska molekyler, vilket var mycket uppreglerat på CD8+ T-celler i kroniskt infekterade möss.45 Isogawa et al fann också att CD40-medierad aktivering av myeloid DCs kunde rädda CTL-utmattning av PD-1-inhiberade CD8+ T-celler.46 vi genererade tidigare nya ÄGGSPECIFIKA EXO-riktade t-cellbaserade vaccin (OVA-Texo) som uttryckte CD40L och visade att ägg-Texovaccin stimulerade potenta CTL-svar och T-cellminne.47 Vi utvecklade tidigare en mus kronisk infektionsmodell genom infektion av möss med ägg-Uttryckande adenovirus, där ÄGGSPECIFIKA CTL: er uttryckte PD-1 och lymfocytaktiveringsgen-3 (LAG-3) som var funktionellt uttömda.48 vi visade vidare att OVA-Texo-vaccinet kunde omvandla CTL-utmattning genom CD40L-signalering genom aktivering av PI3K/Akt/mTORC1-vägen.48 vi har nyligen visat i vår kroniska infektionsmodell att agonist CD40 antikroppsmedierad CD40L-signalering också synergiserar med PD-1-blockaden för att rädda utmattad CTL.49 dessa studier visar tydligt att CD40-signalering är mycket viktigt för omvandling av CTL-utmattning vid kronisk infektion.

perspektiv

det är allmänt accepterat att costimulatoriska molekyler spelar en avgörande roll i immunitet och autoimmunitet. Bland de flera costimulatoriska molekylerna har CD40, en potent stimulator av immunsystemet, studerats omfattande för sitt bidrag till orkestrering av skyddande immunitet. När CD40 binder med CD40L rekryterar den TRAF1 till TRAF6 till dess cytoplasmatiska domäner, och TRAF6 verkar vara dominerande vid körning av CD40-medierad signalering.21 en viktig roll för CD40-CD40L signalering på CD8 + T-celler i minnet CTL utveckling är väl etablerad. Nya framsteg inom immunologi tyder på att metaboliska vägar spelar kritiska roller för att kontrollera t-cellimmunitet.50 det visades tidigare att effektor-T-celler kräver glykolys för att proliferera, medan minnes – T-celler beror på fettsyrametabolism för långsiktig överlevnad. Med tanke på att TRAF6-brist i CD8+ T-celler gör dem defekta i fettsyrametabolism51 och att TRAF6 är en kritisk molekyl i CD40-inducerade nedströmssignalvägar,21 Det kommer att vara intressant att undersöka rollen för CD40-signalering vid byte av effektor t-cellmetabolism från glykolys till fettsyraoxidation för att utveckla minnes-T-celler. Vid kronisk infektion uttryckte utmattade CTL inte bara PD-1,43 utan även andra hämmande receptorer såsom LAG-3, T-cell Ig-3 (Tim-3) och TIGIT.52 en förbättrad effekt på omvandling av CTL-utmattning genom en kombinationsbehandling med antagonister (blockader för blockerande hämning) för olika hämmande molekyler såsom PD-1, LAG-3 och Tim-3 Har visats.53 våra studier49 och andras studier45,46 visade också att CD40-signalering (costimulatory molecule for stimulation) är avgörande för att omvandla CTL-utmattning och kan synergisera med anti-PD1-behandling för att rädda utmattad CTL vid kronisk infektion. Det kommer således att vara intressant att utnyttja en potentiellt synergistisk effekt av CD40-agonist med den antagonistiska behandlingen mot andra hämmande molekyler såsom LAG-3, Tim-3 och TIGIT som en kombinationsterapi vid omvandling av CTL-utmattning vid kronisk infektion (Figur 2).

Figur 2 kombinationsterapi för att rädda CTL-utmattning. anmärkningar: omvandling av CTL-utmattning genom en kombinationsbehandling med antagonister för olika hämmande molekyler såsom PD-1, LAG-3 och Tim-3 för att blockera och CD40-agonist för stimulering. förkortningar: CTL, cytotoxisk T-lymfocyt; LAG-3, lymfocytaktiveringsgen-3; PD-1, programmerat celldödsprotein-1; Tim-3, T-cell Ig-3.

bekräftelse

denna studie stöddes av forskningsmedel från Canadian Institute of Health Research (PJT163314).

Disclosure

författarna rapporterar inga intressekonflikter i detta arbete.