International Laboratory for Research on Animal Diseases

CGSpace (CGIAR)

before and during their first tsetse­transmitted infection with Trypanosoma congolense. Theresearchers then studied the responses of these T­cell subpopulations to purified trypanosomeantigens.Populations of CD8+, CD4+ and gamma/delta T cells were isolated from T. congolense­infectedcattle by staining the cells with monoclonal antibodies specific for these T­cell subpopulations andsorting the cells using a fluorescence­activated cell sorter. The scientists then assessed the abilityof the purified N'Dama and Boran cell populations to respond to two types of trypanosomeantigens: one was VSG and the other a group of proteins varying in size between 100 and 140kilodaltons that in the earlier T­cell Western blotting studies appeared to elicit the greatestresponse from the immune system. Such molecules are known as immunodominant antigens.In line with the results of the T­cell Western blotting experiments, the VSG antigen caused littledetectable stimulation of the three T­cell subpopulations from both breeds of cattle. The nature ofthe T­cell responses to the other trypanosome antigens, however, was unexpected. Twenty­eightdays after infection, the trypanosome immunodominant antigens caused Boran CD8+ T cells toproliferate slightly. A CD8+ response was also observed with N'Dama cells.THE PROLIFERATION of CD8+ T cells in the presence of trypanosome antigens is of greatinterest. As mentioned, expression of the CD8 molecule has generally been associated withcytotoxic T­cell function, and in some cases with the suppression of antibody responses. BecauseCD8+ cytotoxic T­cell function is restricted to tumour cells and host cells infected with intracellularpathogens, it is unlikely to be involved in responses to trypanosomes, which occur outside cells.The ILRAD scientists involved in this work speculate that the antigen specific activation of CD8+T cells in the N'Dama, and the consequent release of cytokines from these activated cells, maycontribute in some way to the N'Dama's ability to remain healthy when infected withtrypanosomes.In addition to the response by the CD8+ T cells, there was a marked response from gamma/deltaT cells in the N'Dama. Some recent results have suggested that these cells play a regulatoryrather than stimulatory role in immune response.Tests are now being developed at ILRAD to measure the amount and type of regulatorycytokines released by T cells when they become activated. This information will enable scientiststo analyse in greater detail the involvement of T cells in the development of immunity totrypanosomiasis in infected cattle.Suppression of the Immune System in TrypanosomiasisA STRIKING FEATURE of African trypanosomiasis, known as sleeping sickness when it occursin people, is a profound suppression of the immune system of the infected mammalian host. Itwas reported as early as 1903 that a high incidence of bacterial infections occurred in peoplesuffering from sleeping sickness. The increased susceptibility of trypanosome­infected patients toopportunistic infections has since been studied in detail and is now generally attributed to asuppression of the patients' immune responsiveness. The immune system of cattle that aresusceptible to trypanosomiasis is also suppressed during infection. Indeed, under naturalconditions, it is often opportunistic infection(s) rather than trypanosomiasis itself that killstrypanosome­infected animals.Scientists at ILRAD are studying this phenomenon, known as immuno­suppression, underexperimental conditions to gain a better understanding of its impact in trypanosomiasis and to findthe mechanism or mechanisms that cause the suppression.To study immunosuppression in trypanosomiasis, scientists have made extensive use of a mousemodel. Experimental trypanosome infections in mice are much easier to manipulate and monitorthan tsetse­transmitted infections in cattle. Furthermore, use of different and immunologically wellcharacterized inbred mouse strains gives scientists a better chance of determining themechanism(s) underlying immunosuppression.Results of studies using trypanosome­infected mice generated two major hypotheses to accountfor immune suppression: (1) a polyclonal activation of B cells leading to a suppression ofantibody­mediated immunity and (2) generation of macrophages that suppress both antibody­mediated immunity (B cells) and cellular immunity (T cells). Research at ILRAD has shown thatimmunosuppression in cattle is not related to a polyclonal activation of B cells. Experiments werethen made to determine the validity of the second hypothesis for trypanosomiasis in cattle.The detection of suppressor cells in mice relies mainly on experiments in which cells from aninfected mouse are mixed with cells from an uninfected mouse. Such co­culture experiments canbe done only with cells from animals that are genetically identical. ILRAD scientists thus designeda co­culture experiment that would make use of cells obtained from identical twin cattle.Suppressor macrophages profoundly suppress the proliferation of T cells. Thus, one wouldexpect trypanosome infected cattle to have a marked inhibition of T­cell proliferation if suppressormacrophages were present. However, as reported in the main article of this issue, peripheralblood cells from infected cattle are still able to proliferate in vitro in response to trypanosomeantigens. This fact suggests that generation of suppressor macrophages in trypanosomeinfections is, like the polyclonal activation of B cells in mice, a peculiarity of mouse infections. Thecattle experiments, however, were all conducted with cells from the blood whereas the mousestudies used cells from the spleen and lymph nodes. To determine whether the discrepancy in T­cell proliferation between mice and cattle was due to a difference in species or to a difference incell types, proliferations of blood cells, spleen cells and lymphnode cells in Boran cattle weremonitored throughout an infection with Trypanosoma congolense parasites.Both blood cells and spleen cells were still able to respond to a T­cell activator during infection,whereas the lymph node cells were suppressed 100%. It thus appeared that T­cell proliferation isprofoundly suppressed in cattle suffering from African trypanosomiasis but that this suppressionoccurs mainly in the lymph nodes.Experiments were then set up using genetically identical twin cattle produced at ILRAD byflushing a Boran embryo from its mother's uterus, splitting the embryo into two and implanting thetwo embryos in a foster mother, which subsequently produce the twins. When the two animalswere old enough, one was infected with T. congolense while the other remained uninfected andwas used as a control. Lymph node cells obtained from the control animal were cultured with a T­cell activator, which caused their proliferation. However, when lymph node cells from the infectedanimal were mixed in vitro with the uninfected cells, the T cells in the co­culture were suppressed100%, demonstrating the presence of suppressor cells in the lymph nodes of infected cattle (seethe figure below).Bovine lymph node cells were obtained from identical twin animals: an uninfected control (LNC­norm) and a trypanosome­infected animal (LNC­inf). The cells were cultured with a T­cellactivator (T­cell mitogen Concanavalin A). Proliferation of lymph node cells, which is an indicatorof T­cell activation, was measured by incorporating a radioactive DNA precursor and expressedas counts per minute.A = LNC­norm, B = LNC­inf, C = cp­culture with LNC­norm and LNC­inf, D = co­culture withLNC­norm and macrophage­depleted LNC­inf.To investigate the role of macrophages in this suppression, a fluorescence­labelled monoclonalantibody that specifically binds to macrophages was added to lymph node cells from the infectedanimal and the fluorescent cells were removed by flow cytofluorometry. The macrophage­depleted lymph node cells were then again mixed with lymph node cells from the control animal.In this co­culture, the proliferation of T cells from the control animal was not suppressed. Thisdemonstrated that the macrophages were involved in T­cell suppression in cattle as well as mice.TO DISCOVER how suppressor macrophages stop T cells proliferating, another co­culture wasset up in which cells from the infected animal were physically separated from cells from thecontrol animal by a semi­permeable membrane so that no cell contact could occur between thesuppressor cells and the target cells whereas soluble factors secreted by the cells could passthrough the membrane. In this culture, cells from the infected animal were still able to suppressthe proliferation of cells from the uninfected control, indicating that suppression was mediated bysoluble factors released by the suppressor macrophages.It is well known that macrophages can suppress T­cell function by releasing prostaglandins, smalllipid­like molecules that have a strong immunosuppressive activity. The role of such factors intrypanosome­mediated suppression was investigated by adding to the co­culture a drug thatswitches off prostaglandin synthesis. The addition of this drug markedly restored T­cellproliferation in the co­cultures separated by the membrane. However, in co­cultures where cellsfrom the infected and uninfected animals were allowed to mix, no restoration occurred from theaddition of this drug.Bovine lymph node cells from an uninfected control animal (LNC­norm) and from a trypanosome­infected animal (LNC­inf) were cultured together in the presence of a T­cell activator. Two sets ofcultures were set up. In the first, the cells were mixed in the same culture well; in the second, thecells were cultured in the same culture well but separated by a porous membrane to allow onlysoluble factors to pass through. Each set of cultures was supplemented by a drug to preventprostaglandin secretion. Proliferative responses of the LNC, which is an indicator of T­cellactivation, is expressed as a percentage of the uninfected control.A = LNC­norm, B = LNC­inf, C = co­cultures with LNC­norm and LNC­inf.It was concluded that two suppressor mechanisms were operating simultaneously. The first is amechanism that does not require cell­to­cell contact and is mediated by prostaglandins(prostaglandin­mediated); the second is a mechanism that requires cell­to­cell contact and occursindependently of prostaglandin (macrophage­mediated). Prostaglandin­mediated suppressionhas been thoroughly studied and can easily be prevented by administering commercially availableprostaglandin inhibitors. Therefore, further study focused on characterizing the macrophage­mediated (prostaglandin independent) suppression.Induction of a proliferation of T cells is a complex phenomenon involving T­cell growth factorssuch as interleukin 2. Following activation, T cells both secrete interleukin 2 and express specificreceptors for the growth factor on their surface. When secreted interleukin 2 binds to its receptor,the T cells are triggered to proliferate. During trypanosomiasis, the reduced proliferation of lymphnode cells was found to be associated with a reduced secretion of interleukin 2. Results of furtherco­culture experiments showed that suppressor cells were responsible for this reduction ininterleukin 2 secretion. Since removal of the macrophages abrogated the suppression in the co­cultures whereas the addition of prostaglandin synthesis inhibitors had no effect, it followed thatthis aspect of suppression was macrophage­ rather than prostaglandin­mediated.Secretion of interleukin 2 (IL­2) is measured by a bio­assay using bovine blast cells and isexpressed as functional units per ml. The expression of receptors for IL­2 is measured byfluorescence using an antiserum specific for the bovine IL­2 receptor. The results are expressedas a percentage of IL­2receptor positive cells.A = lymph node cells from an uninfected control animal (LNC­norm). B = lymph node cells from atrypanosome­infected animal (LNC­inf). C = co­culture with LNC­norm and non­purified LNC­inf.D = co­culture with LNC­norm and macrophage­depleted LNC­inf. E = co­culture with LNC­normand non­purified LNC­inf in the presence of a drug that prevents synthesis of prostaglandin.IN SUMMARY, generation of suppressor cells during infection with trypanosomes occurs in bothmice and cattle. In both species, macrophages play a central role in immunosuppression, which isachieved in two ways—by T cell contact with macrophage­secreted prostaglandin and by contactwith macrophages themselves.Suppression of T­cell activity is not, however, identical in both species. In cattle, macrophage­mediated suppression blocks both the expression of receptors for interleukin 2 on the surface of Tcells and T­cell secretion of interleukin 2. In mice, this suppressor pathway blocks the expressionof receptors for interleukin 2 on T cells but does not stop T­cell secretion of interleukin 2. Hence,the mechanisms of suppression in mice and cattle are similar but the tropism of thesemechanisms probably differs. That suppression in cattle appears to be mediated by mechanismsthat resemble suppressor mechanisms in mice suggests that it is possible to rely on theknowledge acquired from mouse infections to design new models to control immune suppressionin cattle.________________________This article on immunosuppression in trypanosomiasis is based on a report by ILRAD scientistMaarten Sileghem. The article on T­cell responses (pp. 1–3) is based on a report by NormanFlynn, a former ILRAD scientist now working at the MRC Retrovirus Research Laboratory,University of Glasgow. The Editor thanks Ross Gray, Alan Teale and Diana Williams for critiquingthese articles, and Declan McKeever, particularly, for his improvements of each of many draftsand several impromptu mini­seminars on the highly fluid nature of the 'facts' of immunology today.ILRAD SCIENTIST AWARDEDOn 24 April, an ILRAD senior scientist, Dr. Tony Musoke, was awarded the 1992 KenyaVeterinary Association Veterinarian of the Year and Ciba­Geigy Prize for his contribution to

Suppression of the immune system in trypanosomiasis

https://cgspace.cgiar.org/bitstream/10568/16321/1/suppression_immune_system.pdf

Suppression of the immune system in trypanosomiasis

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

CGSpace (CGIAR)