Regulation of Dendritic Cell Migration to the Draining Lymph Node: Impact on T Lymphocyte Traffic and Priming

Antigen-pulsed dendritic cells (DCs) are used as natural adjuvants for vaccination, but the factors that influence the efficacy of this treatment are poorly understood. We investigated the parameters that affect the migration of subcutaneously injected mouse-mature DCs to the draining lymph node. We found that the efficiency of DC migration varied with the number of injected DCs and that CCR7+/+ DCs migrating to the draining lymph node, but not CCR7−/− DCs that failed to do so, efficiently induced a rapid increase in lymph node cellularity, which was observed before the onset of T cell proliferation. We also report that DC migration could be increased up to 10-fold by preinjection of inflammatory cytokines that increased the expression of the CCR7 ligand CCL21 in lymphatic endothelial cells. The magnitude and quality of CD4+ T cell response was proportional to the number of antigen-carrying DCs that reached the lymph node and could be boosted up to 40-fold by preinjection of tumor necrosis factor that conditioned the tissue for increased DC migration. These results indicate that DC number and tissue inflammation are critical parameters for DC-based vaccination

Differential requirements for the chemokine receptor CCR7 in T cell activation during Listeria monocytogenes infection

Effective priming of T cell responses depends on cognate interactions between naive T cells and professional antigen-presenting cells (APCs). This contact is the result of highly coordinated migration processes, in which the chemokine receptor CCR7 and its ligands, CCL19 and CCL21, play a central role. We used the murine Listeria monocytogenes infection model to characterize the role of the CCR7/CCR7 ligand system in the generation of T cell responses during bacterial infection. We demonstrate that efficient priming of naive major histocompatibility complex (MHC) class Ia–restricted CD8+ T cells requires CCR7. In contrast, MHC class Ib–restricted CD8+ T cells and MHC class II–restricted CD4+ T cells seem to be less dependent on CCR7; memory T cell responses are independent of CCR7. Infection experiments with bone marrow chimeras or mice reconstituted with purified T cell populations indicate that CCR7 has to be expressed on CD8+ T cells and professional APCs to promote efficient MHC class Ia–restricted T cell priming. Thus, different T cell subtypes and maturation stages have discrete requirements for CCR7

CXCR4 mediates leukemic cell migration and survival in the testicular microenvironment

The testis is the second most frequent extramedullary site of relapse in pediatric acute lymphoblastic leukemia (ALL). The mechanism for B-cell (B) ALL cell migration towards and survival within the testis remains elusive. Here, we identified CXCL12-CXCR4 as the leading signaling axis for B-ALL cell migration and survival in the testicular leukemic niche. We combined analysis of primary human ALL with a novel patient-derived xenograft (PDX)-ALL mouse model with testicular involvement. Prerequisites for leukemic cell infiltration in the testis were prepubertal age of the recipient mice, high surface expression of CXCR4 on PDX-ALL cells, and CXCL12 secretion from the testicular stroma. Analysis of primary pediatric patient samples revealed that CXCR4 was the only chemokine receptor being robustly expressed on B-ALL cells both at the time of diagnosis and relapse. In affected patient testes, leukemic cells localized within the interstitial space in close proximity to testicular macrophages. Mouse macrophages isolated from affected testes, in the PDX model, revealed a macrophage polarization towards a M2-like phenotype in the presence of ALL cells. Therapeutically, blockade of CXCR4-mediated functions using an anti-CXCR4 antibody treatment completely abolished testicular infiltration of PDX-ALL cells and strongly impaired the overall development of leukemia. Collectively, we identified a prepubertal condition together with high CXCR4 expression as factors affecting the leukemia permissive testicular microenvironment. We propose CXCR4 as a promising target for therapeutic prevention of testicular relapses in childhood B-ALL. © 2022 The Authors. The Journal of Pathology published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of The Pathological Society of Great Britain and Ireland

Brain antigens in functionally distinct antigen-presenting cell populations in cervical lymph nodes in MS and EAE

Drainage of central nervous system (CNS) antigens to the brain-draining cervical lymph nodes (CLN) is likely crucial in the initiation and control of autoimmune responses during multiple sclerosis (MS). We demonstrate neuronal antigens within CLN of MS patients. In monkeys and mice with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and in mouse models with non-inflammatory CNS damage, the type and extent of CNS damage was associated with the frequencies of CNS antigens within the cervical lymph nodes. In addition, CNS antigens drained to the spinal-cord-draining lumbar lymph nodes. In human MS CLN, neuronal antigens were present in pro-inflammatory antigen-presenting cells (APC), whereas the majority of myelin-containing cells were anti-inflammatory. This may reflect a different origin of the cells or different drainage mechanisms. Indeed, neuronal antigen-containing cells in human CLN did not express the lymph node homing receptor CCR7, whereas myelin antigen-containing cells in situ and in vitro did. Nevertheless, CLN from EAE-affected CCR7-deficient mice contained equal amounts of myelin and neuronal antigens as wild-type mice. We conclude that the type and frequencies of CNS antigens within the CLN are determined by the type and extent of CNS damage. Furthermore, the presence of myelin and neuronal antigens in functionally distinct APC populations within MS CLN suggests that differential immune responses can be evoked

The chemokine receptor CXCR5 is pivotal for ectopic mucosa-associated lymphoid tissue neogenesis in chronic Helicobacter pylori-induced inflammation

Ectopic lymphoid follicles are a key feature of chronic inflammatory autoimmune and infectious diseases, such as rheumatoid arthritis, Sjögren's syndrome, and Helicobacter pylori-induced gastritis. Homeostatic chemokines are considered to be involved in the formation of such tertiary lymphoid tissue. High expression of CXCL13 and its receptor, CXCR5, has been associated with the formation of ectopic lymphoid follicles in chronic infectious diseases. Here, we defined the role of CXCR5 in the development of mucosal tertiary lymphoid tissue and gastric inflammation in a mouse model of chronic H. pylori infection. CXCR5-deficient mice failed to develop organized gastric lymphoid follicles despite similar bacterial colonization density as infected wild-type mice. CXCR5 deficiency altered Th17 responses but not Th1-type cellular immune responses to H. pylori infection. Furthermore, CXCR5-deficient mice exhibited lower H. pylori-specific serum IgG and IgA levels and an overall decrease in chronic gastric immune responses. In conclusion, the development of mucosal tertiary ectopic follicles during chronic H. pylori infection is strongly dependent on the CXCL13/CXCR5 signaling axis, and lack of de novo lymphoid tissue formation attenuates chronic immune responses

Regulatory mechanisms of lymphocyte migration during homeostasis and immunopathology

Die Ausbildung einer effektiven adaptiven Immunantwort nach einer Infektion oder während einer Entzündung erfordert eine koordinierte Zirkulation von Immunzellen durch fast alle Bereiche des Körpers. Die Reifung von T- und B-Lymphozyten und die Aufrechterhaltung der Funktionsbereitschaft im Immunsystem ist von der Wanderung der Lymphozyten innerhalb der lymphatischen Gewebe und von einem lymphatischen Organ zum anderen abhängig. Im Gegensatz zu Granulozyten, die mit einer begrenzten Auswahl von Chemokinrezeptoren auskommen, beanspruchen die T-Lymphozyten nahezu alle bekannten Rezeptoren. Das distinkte Expressionsmuster passt sich dem funktionellen Zustand der Lymphozyten an, und kann als spezifischer Marker für ihre Reife, Differenzierung und Aktivierung angesehen werden. Die in der vorliegenden Habilitationsschrift vorgestellten Arbeiten verdeutlichen die funktionelle Relevanz der konstitutiven Chemokine und ihrer Rezeptoren für die Aufrechterhaltung lymphozytärer Homöostase sowie für die Induktion adaptiver Immunantworten. Der überraschende Befund, dass CCR7 nicht nur lymphozytäre homöostatische Rezirkulation durch lymphatische Organe, sondern auch durch peripheres Gewebe steuert, hat entscheidend zur Charakterisierung einer weiteren biologischen Funktion von CCR7 geführt. Zusammen mit neueren Daten aus der Literatur ergibt sich folgendes Bild: wenn Lymphozyten den homing Rezeptor CCR7 nicht exprimieren, können diese periphere Gewebe, wie z.B. die Haut, Körperhöhlen oder auch mukosales Gewebe nicht mehr verlassen und akkumulieren dort. Entwickeln sich solche lymphoiden Aggregate weiter zu funktionellen ektopischen Follikeln, wie in der Magenschleimhaut von CCR7-defizienten Mäusen, können mit zunehmendem Alter der Versuchstiere pathomorphologische Veränderungen in benachbartem, viszeralen Gewebe beobachtet werden. Momentan untersuche ich, ob letzteres direkt durch die Entwicklung der ektopen lymphoiden Follikel induziert wird und welche molekularen Mechanismen dem zu Grunde liegen. Interessanterweise kommt es auch zur Akkumulation von Effektor/Memory T-Zellen oder regulatorischen T-Zellen am Ort von Entzündungen in CCR7-defizienten Mäusen, oder aber nach Transfer von CCR7-defizienten T-Zell-Subpopulationen. In beiden Fällen verstärken sich lokal die Effektorfunktionen der jeweiligen T-Zell-Subpopulationen. Zusammengenommen scheint CCR7 ein entscheidender Regulator für die lymphozytäre Rezirkulation in der Homöostase und unter entzündlichen Bedingungen zu sein. CCR7 steuert weiterhin die koordinierte Migration von DCs und T-Zellen und deren Zusammentreffen in der T-Zellzone sekundärer lymphatischer Organe. Somit ist CCR7 auch ein wichtiger Induktor primärer Immunantworten während einer bakteriellen oder viralen Infektion. Wie aus unseren Arbeiten hervorgeht, ist der Einfluß von CCR7 aber beschränkt auf die Aktivierung bestimmter T-Zell-Subtypen und bestimmte Reifungsstadien von T-Zellen, während die Aktivierung anderer T-Zell-Subpopulationen durch alternative Mechanismen induziert wird. Um der Immunabwehr am Ort einer Infektion zu entgehen, kodieren z.B. Herpesviren für immunmodulatorische Mediatoren wie Chemokin- und Chemokinrezeptor-Homologe. Ein Beispiel ist der HCMV-kodierte Rezeptor US28, der durch die Bindung von Chemokinen, wie CCL5 (RANTES), entzündliche Mediatoren aus der Umgebung einer viralen Infektion wegfängt und dadurch eine effektive anti-virale Immunantwort verhindert. Wir haben die molekularen Mechanismen dieser Immunmodulation mittels einer Kombination von Mutagenesestudien und biochemischen sowie zellbiologischen Methoden aufgeklärt. Zusammengefasst konnten wir zeigen, dass eine bisher einzigartige konstitutive Phosphorylierung von US28 sowohl dessen Zelloberflächenexpression, als auch die Endozytose des Rezeptors reguliert. Letzteres bildet die mechanistische Grundlage für die Ligandeninternalisierung, welche wiederum eine wichtige Voraussetzung für die Beseitigung inflammatorischer Chemokine am Ort einer Infektion darstellt. Bislang exisitiert leider kein geeignetes Mausmodell, um die hier postulierte immunmodulatorische Funktion von US28 in vivo zu überprüfen. Im letzten Kapitel dieser Habilitationsschrift habe ich die immunpathologische Bedeutung von CXCR5 und CCR7 in einem Antigen-induzierten Arthritis Modell und für Tumorerkrankungen herausgearbeitet. Es konnte klar gezeigt werden, dass CXCR5 eine essentielle Rolle in der Entwicklung und Organisation tertiären lymphatischen Gewebes in der späten chronischen Phase einer AIA spielt. Zur Zeit untersuche ich die Entwicklung und Organisation tertiären lymphatischen Gewebes in chronisch-entzündeter Magenschleimhaut nach Infektion mit Helicobacter pylori. Auch in diesem zweiten Modell einer chronischen Entzündung weisen die CXCR5-defizienten Mäuse eine reduzierte Entwicklung ektopischer Strukturen auf. Zusammengenommen stellt der Chemokinrezptor CXCR5 ein viel versprechendes Zielmolekül zur pharmakologischen Intervention bei chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen dar. Zahlreiche Beispiele belegen die Rolle des Chemokin-/Chemokinrezeptor-Systems bei der malignen lymphatischen Organogenese und der Tumormetastasierung. Wir konnten den Einfluß des homöostatischen Chemokinrezeptors CCR7 auf die Dissemination der spezifischen Tumorzellen im Morbus Hodgkin nachweisen. Während lymphozytäre und histiozytäre (L&H;)-Zellen der lymphozytenreichen Form überwiegend innerhalb follikulärer Strukturen lokalisiert sind, positionieren sich die Hodgkin/Reed-Sternberg-Zellen (HRS) der klassischen Hodgkin-Variante vorwiegend in der interfollikulären oder in der follikulären Mantelzone des Lymphomgewebes. Es zeigte sich, dass L&H-Zellen; den Chemokinrezeptor CCR7 nicht exprimieren, während umgekehrt die HRS-Zellen hohe Expressionsspiegel des Rezeptors CCR7 aufwiesen. Somit korrespondiert die CCR7-Rezeptorexpression exakt mit der Verteilung ihrer Liganden im Lymphomgewebe. Wir postulieren, dass CCR7 Expression eine Voraussetzung für die spezifische Lokalisation von Tumorzellen des klassischen Hodgkin-Subtyps ist. Zur Zeit untersuche ich das Expressionsprofil und die funktionelle Signifikanz von Chemokinen und Chemokinrezeptoren bei Primär-mediastinalen B-Zell Lymphomen (PMBL). Mittels Untersuchungen zur Interaktion von Lymphomzellen mit einem Lymphknoten- spezifischen Zellmilieu in einem Maus-Lymphommodell möchte ich die Bedingungen für "Immune Escape" und Krankheitsprogress von Lymphomen näher charakterisieren. Zusammengefasst dienen meine zukünftigen experimentellen Ansätze der Dissektion der zellulären Bedingungen für eine maligne lymphatische Organogenese. Ich erwarte, dass sich aus der Charakterisierung der zellulären Komponenten sowie deren Kommunikationswege Ansätze für das Verständnis der Lymphompathogenese ergeben werden. Die neu identifizierten interzellulären Interaktionen versprechen die Möglichkeit einer pharmakologischen oder immunologischen Intervention, so dass unser gegenwärtiges therapeutisches Repertoire entscheidend verbessert werden könnte. Ohne Zweifel wird es zukünfig von herausragendem Interesse sein, wie sich die pharmakologische Intervention in das Chemokin/Chemokinrezeptorsystem als erfolgreiche Strategie zur Behandlung von Krebs oder Autoimmunerkrankungen etablieren läßt.The innate and adaptive immune response depends on the coordinated recirculation of leukocyte subsets through peripheral tissues and their selective homing to secondary lymphoid tissues. Chemokines and chemokine receptors play a pivotal role in lymphocyte homing during immune system homeostasis, infections and inflammation. Homeostatic chemokine receptors and their ligands are crucial for the appropriate positioning of naive T cells, B cells and antigen-bearing DCs within secondary lymphoid organs required for initiating of antigen-specific immune responses. These chemokines are also involved in lymphoid organogenesis and the development of ectopic lymphoid- like structures which have been described in chronic inflammatory processes and autoimmune diseases. The major aim of the studies described here was to define distinct functions of the homeostatic chemokine receptors CCR7 and CXCR5 under physiological and pathophysiological conditions. We showed that CCR7 controls not only lymphocyte trafficking to and within secondary lymphoid organs, but also homeostatic migration of T and B lymphocytes through non- lymphoid peripheral tissues. Disturbed peripheral recirculation of lymphocytes resulted in the development of ectopic lymphoid-like follicles and age- dependent histopathological changes in the gastrointestinal tract of CCR7 deficient mice. Both chemokine receptors, CXCR5 and CCR7, could be defined as regulatory mediators for peritoneal B cell homing and early immunity against bacterial pathogens. We additionally dissected the role of CCR7 in T cell activation and differentiation in the process of adaptive immune responses and demonstrated a distinctive role of CCR7 in cytotoxic T cell priming and in the functional activity of naive- and effector/memory-like regulatory T cells. Secondly, this work focused on the immune modulatory function of a herpesvirus-encoded chemokine receptor. We elucidated the immunomodulatory property of the human cytomegalovirus-encoded chemokine receptor US28. Due to an unusual agonist-independent phosphorylation at its intracellular C-terminus, the receptor is able to capture and endocytose inflammatory chemokines, subsequently mediating viral immune escape. In the last part of this work, we focused on elucidating the functional significance of CXCR5 and CCR7 in pathophysiological processes, among them chronic inflammation, autoimmune diseases and tumor metastasis. We established a chronic inflammatory model of rheumatoid arthritis in mice and showed that the development of tertiary lymphoid tissue, also a hallmark of human rheumatoid arthritis, was entirely dependent on the chemokine receptor CXCR5. It has also been described that chemokines and their receptors are implicated in the process of dissemination and metastasis of solid and haematopoetic tumors. We were able to show that the chemokine receptor CCR7 is consistently expressed on Reed-Sternberg cells of classic Hodgkin disease (HD) and that upregulation of CCR7 correlates with the dissemination of neoplastic cells to the interfollicular T cell zone of lymph nodes. Hence, differential chemokine receptor expression might contribute to specific localization and confinement of neoplastic cells within the target organ. In conclusion, we propose that the homeostatic chemokine receptors CCR7 and CXCR5 are attractive therapeutical targets for the treatment of chronic inflammatory and autoimmune diseases as well as for cancer

All Roads Lead to Rome

Migration of dendritic cells to secondary lymphatic organs is a key event in acquired immunity. The role of the multifunctional ectoenzyme CD38 in humoral immune responses has now been revisited, suggesting that CD38 links innate and adaptive immunity by triggering chemokine-mediated dendritic cell chemotaxis