NK-Zellen&„innatelymphoidcells“(ILC)

PDDr.MichaelStassen

Vorlesungsinhalte

LymphopoesedientnichtnurderBildungvonT-u.B-Zellen:NatürlicheKiller-(NK-)Zellenund„innatelymphoidcells“(ILC)

VorkommenundFunkLonvonNK-Zellen

RezeptorenundAkLvierungvonNK-Zellen: Toleranz missingself induced/alteredself non-self

Immunevasion:mCMVm157undHIVnef

InvarianteNKT-Zellen

AllgemeineEigenschaWenundspezielleFunkLonenvonILC1,ILC2,ILC3

DielymphoideEntwicklungsreiheistkomplexeralslangeZeitangenommen

TradiLonelleVorstellung

myeloischeReihe:angeboreneImmunitätfirstlineofdefence(Phagocytose)

lymphoideReihe:adapLveImmunität,immunologischesGedächtnis

EsgibtZellen,dieohnevorherigenAnLgenkontaktcytotoxischeAkLvitäthaben:NK-ZellensindentstammenderlymphoidenReihe,sindaberTeildesangeborenenImmunsystems

NK-Zellensinddiedri`eEntwicklungsliniederlymphoidenZellen

ILCbestehenausZellenmitcytotoxischenundT-Helfer-ähnlichenEigenschaWen

Diefenbachetal.(2017)ImmunityCLP:commonlymphoidprogenitorEILP:earlyILCprogenitor

CHILP:commonhelper-likeprogenitorLTi:lymphoidLssueinducer

Björkström,NatRevImmunol2016

~5-15% peripheral blood lymphocytes (in humans) ~3-5% lymphocytes in spleen, abundant in liver >70% of lymphocytes in decidual tissue

Lung

Liver

Gut Peritoneal Cavity Uterus/Placenta

LN, Thymus Spleen

Skin

VorkommenvonNK-Zellen

T Zelle

Viren

MHC Molekül (HLA)

T Zellen überwachen das “Innenleben” von Zellen

Infizierte Zelle: „fremd“ („non-self“)

Tumorzelle: mutiertes Genom („altered-self“)

Schwachstellen der MHC-Abhängigkeit: Mutationen, Downregulation MHC b2m TAP

Herpesviren (CMV) HIV

„missing-self“

T Zelle

Viren

MHC Molekül (HLA)

T Zellen überwachen das “Innenleben” von Zellen

Infizierte Zelle: „fremd“ („non-self“)

Tumorzelle: mutiertes Genom („altered-self“)

Schwachstelle MHC-Abhängigkeit: Mutation, Downregulation MHC b2m TAP

Herpesviren HIV

„missing-self“

NK-Zellen beheben die

„Lücke im System“

NK-ZellRezeptorenkönnenakLvierendoderhemmendaufdieNK-Zellewirken

AkLvierendeRezeptorenerkennenLigandenaufgestresstenoderinfiziertenZellen

InhibitorischeRezeptorenbindenanMHC-IoderMHC-I-ähnlicheMoleküle

Pegrametal.Immunology&CellBiology(2011)

NK-RezeptoreninnerhalbeinerFamiliekönnenakLvierenoderhemmen:Ly49(Maus)

Dimasi&BiassoniImmun.CellBiol.(2005)

Dimasi&BiassoniImmun.CellBiol.(2005)

KonvergenteEvoluLon:Killerimmunoglobulinlikereceptors(KIR)desMenschenhabenandereStrukturabergleicheFunkLonwiedieLy49-FamiliederMaus

Faragetal.Blood(2002)

CD94/NKG2-Familie(Mensch&Maus):IndirektesErfassenderMHCI-Expression

HLA-E(Mensch)undQa-1(Maus)sindMHC-ähnlicheMoleküleundbindeninvariantePepLdeausdenLeadersequenzenklassischerMHCI-Moleküle

HLA-E+PepLdundQa-1+PepLdbindenanCD94/NKG2HeterodimereundNK-Zell-AkLvitätwirdgehemmt

OhneMHC-PepLde(MHCIê)erscheinenHLA-E/Qa-1nichtanderZelloberfläche,NK-ZellewirdakLviert

Faragetal.Blood(2002)

NKD2DHomodimerebindenstressinduzierteMHC-ähnlicheLigandenundakLvierenNK-Zellen

Faragetal.Blood(2002)

MICA/B:MHCclassIchain-relatedAchainbzw.–BchainULBP:UL-16-bindingproteins(human)bzw.H60/RAE-1/MULT-1Proteinei.d.Maus

„inducedselfrecogniLon“führtzurAkLvierungvonNK-ZellenbeizelluläremStreß(heatshock,TransformaLon,InfekLon,DNA-Schäden)

>100 alleles!

Takaki & Lanier "Viral and Immunological Malignancies”, 2005

NKG2D Liganden – Marker für zellulären Stress

•  MHC Klasse I-ähnlich, benötigen aber weder Peptid noch β-Mikroglobulin

•  Binden mit nM Affinität NKG2D

•  Niedrige Mengen werden auf gesunden Zellen exprimiert

•  Induktion auf Virus-infizierten Zellen, Tumorzellen und nach DNA-Schäden.

•  Erhöht bei autoimmun. Erkrankungen (rheumatoide Arthritis, Diabetes, Artherosklerose.)

Mult1 H60a,b Rae1α-δ

Mouse

H60c

-4x10-9 M -2x10-8 M -5x10-7 M -2x10-8 M ?

Rae1ε

KD

Why are there so many ligands for one receptor?

- They might fulfill distinct biological functions

-  They might be differentially upregulated in response to specific forms of cellular stress

-  Organ-specific expression pattern

-  Evolutionary race with viral evasion strategies Slide:courtesyofA.Diefenbach

14 28 42 56

100

300

days after inoculation

Control Ig anti-NK1.1 anti-CD8

200

0 14 28 42 14 28 42

B 1 6 / -

B 1 6 - H 6 0 B 1 6 - R a e 1

mea

n tu

mor

sur

face

(mm

2 )

Altered-self recognition through the NKG2D receptor mediates tumor rejection

Diefenbach et al., Nature 2001

Mice genetically lacking the NKG2D receptor: increased incidence of spontaneously developing tumors

Guerra et al., Immunity 2008

„Missing-self“ in der Tumortherapie

Rae-1

NKG2D

Therapeutisch induziertes “missing-self”

- +

NK cell

Tumor cell

Anti-KIR Lirilumab

Nature Reviews | Immunology

Donora

HSC

Patient with cancer

Patient with cancer

Transplantation

DonorNK cells

Activatingreceptor

Inhibitoryreceptor

MHCclass I

Leukocytes

LeukopheresisNK cellinfusion

NK cellisolation

Donor NK cell

Donorb

c

Tolerance owing to lack of activating signal

Tolerance owing to lack of activating signal

Donor NK cells do not recognize allogenic MHC molecules

Healthy cell

Donor NK cell Tumour cell

Cytokines and cytotoxic mediators

Patient NK cell

Blockade of inhibitory signal

Healthy cell

Patient NK cell Tumour cell

Cytokines and cytotoxic mediators

++

++

Monoclonal ��$�� �)�#!���,��for NK cell inhibitory receptor

Enhancement of NK cell activity and residual tumour cell elimination

Enhancement of alloreactivity and residual tumour cell elimination

��%"����* Cancer therapies targeting NK cells. a *� �� '������!� �����$����� "������$����������$ ! ��$���#$��������$"��#!���$�$� �����������$%"��������"��� ������#� ��� � "� "�������&�� !����$���!�$���$�'�$�������"��b | Alternatively, NK cell populations can be isolated from healthy donors and activated and/or expanded �������� before infusion into the !�$���$�'�$�������"������ $����#�#����� ���������������� ���������%#� ����$��������#�$ �!" � $��$�����$�$%� %"��%��$� �� ��� � "�� �����#����$���!�$���$�������������"��$� �� ��� � "�� �����#�'�������� $����������$����)�$���������##���� ���%��#� ��$���!�$���$���#�$��������"���������%� �� �%���������"���!$ "#�� ��#���(!"�##����)�$���� � "�� �����#�'����� $���$�"��$� '�$��$���������##���� ���%��#� ��$���!�$���$������$��#�!" � $�#�$%� %"�������������$� ������� �$"�#$�$ ������"�����#��� #$�����$�)�����#� ��$���!�$���$�'����� $���$�&�$��� � "�� �����#���#�$��)��������#%�������$������#%"��������#�$)� ����$�&�$����������#�� "�$���� � "�� �����#��c�*������$�"��$�&���!!" �����#�$ �� #$���� ��� %#�� ��������$�&�$)��)�$"��$����!�$���$#�'�$��� � �� ������$�� ���#�#!�������� "�� �������(!"�##���������$ ")�"���!$ "#�����#����$�� ���#��"����#������$ ���������$�����$�$%� %"���$�&�$)� ��$���!�$���$+#� '��� �����#�'�$� %$����%������%$ ���%��$)�

Ciclosporin(Also known as cyclosporin A). A commonly used immunosuppressive drug that blocks calcineurin A and thereby inhibits T cell activation. It is used to prevent the rejection of transplanted organs and to treat some inflammatory diseases. Ciclosporin is widely used to prevent graft-versus-host disease following allogeneic haematopoietic stem cell transplantation.

success91, allogeneic HSCT procedures were carried out using basically unmodified protocols for 20 to 25 years. The approach begins with a preparative phase known as conditioning. This phase is followed by infusion of the allogeneic graft cells and post-infusion drug-mediated immunosuppression in an attempt to limit unwanted GVH reactions. The goals of conditioning are to treat

residual tumour disease and to allow for donor cell engraftment through the profound immunosuppression of the host. Both goals have been achieved, rather suc-cessfully, using a combination of high-dose total-body irradiation with chemotherapy, or using a combina-tion of highly myeloablative and antineoplastic drugs. However, the cytotoxicity of the conditioning regimen

REVIEWS

244 | APRIL 2012 | VOLUME 12 www.nature.com/reviews/immunol

REVIEWS

© 2012 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved

Cancer therapies harnessing NK cell function

(Vivieretal,NatRevImmunol,2012)

iKIRblockade=NKcellcan’tbeinhibited.

„non-selfrecogniLon“:MurinesCytomegalievirus(mCMV)Immunevasion:mCMVdrosseltMHCIExpressionundviralesm157imiLertMHCIMoleküle

C57BL/6:AkLvierenderRezeptorvermi`eltResistenz

BALB/c:hemmenderRezeptorvermi`eltSuszepLbilität

KoevoluLonvonPathogenundWirt:VirustreibtdieEvoluLonvonRezeptoren,WirtselekLertaufvirulentereStämme

Sun&LanierViruses(2009)

Ugolini & Vivier, Nature 2009

NK cells remember

Weiteres Beispiel für Immunevasion von Viren: Das HIV Nef-Protein

HLA-C

KIR

HLA-A HLA-B

HIV-nef supprimiert den Transport von HLA-A und -B (T-Zell-Evasion), weniger HLA–C (stark inhibitorisch für NK Zellen)

NK-Zelle

Infizierte Zelle

HIV: Prävention der missing-self Erkennung durch NK-Zellen

“Tolerance”

Rae-1 MHC-I m157

“induced/altered-self” “non-self”

NKG2D Ly49C/I Ly49H

- + -

+ - +

Cell Growth, Stress Viral Ligands

“missing-self”

- +

Tumor, Viral infection

NK cell signal integration at the immunological synapse

InvarianteNKT-Zellen

GehörenzudenT-ZellenundentwickelnsichausDPThymocytenimThymus

BildenTCRausnurwenigendermöglichenGensegmenten

BenöLgenfürihreEntwicklungInterakLondesTCRmitCD1

WandernausThymusinlymphat.GewebeundSchleimhäute

CD1-MolekülebindeneineVielzahlvonLipiden,Glycolipiden,PhospholipidenundLipopepLdeninhydrophobemKanal

Innate Lymphoid Cells

ILCbestehenausZellenmitcytotoxischenundT-Helfer-ähnlichenEigenschaWen

Diefenbachetal.(2017)ImmunityCLP:commonlymphoidprogenitorEILP:earlyILCprogenitor

CHILP:commonhelper-likeprogenitorLTi:lymphoidLssueinducer

Cytotoxicity CD8+

TH1

TH2

TH17 TH22

NK

T-bet

IFNγ

Innate Lymphocytes

Adaptive Lymphocytes

NK

Spezialisierung nur bei adaptiven Lymphozyten ?

? IFNγ

IL-5, IL-13

IL-17 IL-22

GATA-3

RORγt Ahr

> Detektion von Helfer-Zytokinen in T-Zell-Defizienten RAGKO Mäusen

Cytotoxicity

IFNγ

IL-5, IL-13

IL-17 IL-22

CD8+

TH1

TH2

TH17 TH22

NK

ILC2

ILC3

GATA-3

RORγt Ahr

T-bet

IFNγ

Innate Lymphocytes

Adaptive Lymphocytes

NK

ILC1

Innate Lymphoid Cells (ILC)

ILC1

T-bet

IFN-γ,TNF

•  IntracellularinfecLons•  InflammaLon?

Type1immunity

ILC2GATA-3RORα

IL-5,IL-13amphiregulin

• WorminfecLons• Asthma,allergies

Type2immunity

ILC3

RORγt

IL-22,IL-17A,GM-CSF

•  IntesLnalinfecLons•  Inflammatoryboweldiseases

Type17immunity

Innate Lymphoid Cells (ILC)

Slide:courtesyofA.Diefenbach

ILC progenitor

immature ILC

peripheral blood

mature ILC

local ILC progenitor

ILCs sind lokale, gewebe-residente Lymphozyten

Gasteigeretal.,Science2015

Embryonic and postnatal developmental window?

WichLgeEigenschaWenderILC

KeineAnLgen-spezifischenRezeptoren

LokalisiertanGrenzenzurAußenwelt:Schleimhäute,Haut

WerdendurchSignale(Cytokine,Alarmine)von„Sensor-Zellen“akLviert

ProduzierenCytokineinderFrühphasevonImmunreakLonen

Könnenlokalproliferieren

ILC1(undNK-Zellen)produzierenIFN-γnachAkLvierungdurchinfizierteDCundMakrophagen

IL-12 IL-18

IFN-γ

MakrophagenakLvierunglangebevorTh1-Hilfemöglichist.PrinzipiellauchEinflußaufTh1-Entwicklung

ILC2 werden durch Cytokine und Alarmine von Epithelzellen aktiviert

Helminthen, Pilze (Chitin !), Viren (Influenza), Allergene (Proteasen !)

Epithel

TSLP (IL-7 Familie)

IL-33 (IL-1 Familie, ein „Alarmin“)

IL-25 (IL-17 Familie, IL-17E)

ILC2

IL-5

IL-9

IL-13(MukusprodukLon,KontrakLongla`erMuskulatur,

alternaLvakLvierteMakrophagenetc.)

(Mastocytose,Eotaxin-Expression,Mukusetc.)

(ProdukLonundAkLvierungvonEosinophilen)

Amphiregulin:WachstumvonEpithelzellen/RegeneraLon

ILC2 werden durch Cytokine und Alarmine von Epithelzellen aktiviert

Helminthen, Pilze (Chitin !), Viren (Influenza), Allergene (Proteasen !)

Epithel

TSLP (IL-7 Familie)

IL-33 (IL-1 Familie, ein „Alarmin“)

IL-25 (IL-17 Familie, IL-17E)

ILC2

IL-5

IL-9

IL-13(MukusprodukLon,KontrakLongla`erMuskulatur,

alternaLvakLvierteMakrophagenetc.)

(Mastocytose,Eotaxin-Expression,Mukusetc.)

(ProdukLonundAkLvierungvonEosinophilen)

Amphiregulin:WachstumvonEpithelzellen/RegeneraLon

Epithel

IL-1β,IL-23

ILC3

IL-17(RekruLerungvonNeutrophilen,Monocyten)

IL-22(DefensinprodukLondurchEpithelzellen,EpithelproliferaLon)

InfekLonenmitextrazellulärenBakterienundPilzenakLvierenILC3

ItappearsthateachofthethreemajorILCandeffectorCD4T-cellsubsets

(ILC1/ILC2/ILC3andTh1/Th2/Th17)evolvedtoenhanceandcoordinate

thefuncOons.......ofdifferentarmsofthemyelomonocyOcpathwayforopOmal

eradicaOonofdifferentclassesofpathogens:

monocytesandmacrophagesareenhancedbyTh1cells;

eosinophils,basophilsandmastcellsbyTh2cells;

andneutrophilsbyTh17cells

Janeway‘sImmunobiology,9thEdiLon