The role of peripheral immunological tolerance in the pathogenesis of systemic lupus erythematosus

Abstract

Despite the complexity of the etiopathogenesis of autoimmune diseases, the great variability on clinical symptoms and the differential response of patients to existing therapies, there is a common denominator in autoimmunity; the loss of self tolerance. Therefore it appears necessary to delineate the causative mechanisms involved in the failure of the maintenance of self tolerance. Understanding the underlying mechanisms may offer the opportunity to develop targeted, timely and more effective therapies with benefits for a broader spectrum of autoimmune diseases. Myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) is a heterogeneous population of immature myeloid cells with immunoregulatory properties that have recently gained interest in the field of autoimmunity. They comprise two subsets, the granulocytic and monocytic (G-MDSCs and M-MDSCs respectively) that can both suppress T cell responses. In this project we focused on the role of MDSCs in systemic lupus erythematosus (SLE). SLE is the prototypic systemic autoimmune disease, where loss of tolerance results in chronic inflammation. Thus, we decided to examine the role of MDSC regulatory compartment in SLE, using the murine model NZB/W F1 that spontaneously develops lupus-like disease. In this study we demonstrate for the first time an impaired expansion of CD11bhighGr-1+ MDSCs in NZB/W F1 lupus-prone mice, that is mainly attributed to CD11bhighLy6G+ G-MDSCs decreased levels in the bone marrow and in the peripheral lymphoid organs of lupus mice. The decreased levels were accompanied by an impaired function of CD11bhighLy6G+ G-MDSCs in lupus-prone mice; of note lupus G-MDSCs not only failed to suppress CD4+ T cells in vitro, but actually promoted their proliferation and activation. Importantly, we found that CD11bhighLy6G+ G-MDSCs elimination was due to increased extracellular trap formation (ETosis) in lupus mice driven by the inflammatory environment of lupus. Enhanced ET formation by G-MDSCs was dependent on reactive oxygen speces (ROS) production that was also induced by the inflammatory milieu of lupus. Moreover, the cytokines IFN-α, IFN-γ and IL-6 that are enriched in SLE serum were also identified as potential triggers of ETosis in Ly6G+ granulocytes. Overall, our data demonstrate a defective expansion of G-MDSCs in lupus microenvironment through the formation of ETs, a novel type of cell death. Importantly, we provide evidence for a ROS-mediated induction of ETs by Ly6G+ granulocytes upon exposure to lupus inflammatory environment. Elimination of G-MDSCs may result in defective regulation of immune responses thus leading in disease progression. Our findings provide new insights into the pathogenetic mechanisms of SLE that could be exploited for therapeutic purposes.

Παρά την πολυπλοκότητα της αιτιοπαθογένειας των αυτοάνοσων νοσημάτων, της πλούσιας ποικιλίας των κλινικών συμπτωμάτων μεταξύ ασθενών και τη διαφορετική ανταπόκριση των ασθενών σε κοινές συμπτωματικές θεραπείες, υπάρχει μια κοινή αρχή: τα αυτοάνοσα νοσήματα αναπτύσσονται εξαιτίας της απώλειας της ανοσολογικής ανοχής στα αυτοαντιγόνα. Συνεπώς είναι αναγκαίο να διαλευκάνουμε τις γενεσιουργές αιτίες στις οποίες οφείλεται η αδυναμία ελέγχου και διατήρησης της ανοσολογικής ανοχής. Η κατανόηση των σχετικών υπεύθυνων μοριακών μηχανισμών θα προσφέρει την ευκαιρία ανάπτυξης στοχευμένων, έγκαιρων και αποτελεσματικότερων θεραπειών με κοινά οφέλη για ένα μεγάλο εύρος αυτοάνοσων νοσημάτων. Τα κατασταλτικά κύτταρα μυελικής προέλευσης (MDSCs) είναι ένα ετερογενής πληθυσμός μυελικών, ατελώς διαφοροποιημένων κυττάρων με ανοσορυθμιστικές ιδιότητες, τα οποία πρόσφατα έχουν συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Αποτελούνται από δύο υποπληθυσμούς κυττάρων, τα κοκκιοκυτταρικά (G-MDSCs) και τα μονοκυτταρικά (M-MDSCs). Το κύριο χαρακτηριστικό των MDSCs είναι ότι μπορούν να καταστείλουν τις ανοσολογικές αποκρίσεις των Τ λεμφοκυττάρων. Στην παρούσα ερευνητική εργασία, εστιάσαμε στο ρόλο των MDSCs στην παθογένεια του Συστηματικού Ερυθηματώδη Λύκου (ΣΕΛ). Ο ΣΕΛ είναι ένα συστεμικό αυτοάνοσο νόσημα, όπου η επιμένουσα απώλεια των ρυθμιστικών μηχανισμών διατήρησης της ανοσολογικής ανοχής συμβάλει στην παθογένεια της ασθένειας και την εγκαθίδρυση χρόνιας φλεγμονής. Για το λόγο αυτό, σχεδιάσαμε να εξετάσουμε το ρόλο των MDSC ρυθμιστικών κυττάρων στο ΣΕΛ, χρησιμοποιώντας το ζωικό μοντέλο NZB/W F1, ποντίκια τα οποία αυθόρμητα αναπτύσσουν ένα φαινότυπο παρόμοιο με του ΣΕΛ στον άνθρωπο. Με την εργασία αυτή δείχνουμε πως τα CD11bhighGr-1+ MDSCs ανιχνεύονται σε χαμηλά επίπεδα στα NZB/W F1 ποντίκια, τόσο στο υποκλινικό όσο και στο κλινικό στάδιο της νόσου. Αυτό κυρίως οφείλεται στη μειωμένη συχνότητα εμφάνισης των CD11bhighLy6G+ G-MDSCs στο μυελό των οστών και στα περιφερικά λεμφικά όργανα των ποντικιών με τη νόσο. Ο μειωμένος αριθμός των CD11bhighLy6G+ G-MDSC συνοδεύονται και από την ελαττωματική λειτουργία τους όσον αφορά στην in vitro καταστολή των CD4+ T λεμφοκυττάρων. Ενδιαφέρον προκαλεί ότι τα G-MDSC του λύκου όχι μόνο δεν μπορούν να καταστείλουν τα CD4+ T λεμφοκύτταρα, αλλά αντίθετα προκαλούν τον πολλαπλασιασμό κα την ενεργοποίηση τους. Σημαντικό είναι το εύρημα μας ότι τα CD11bhighLy6G+ G-MDSCs είναι μειωμένα στο λύκο εξαιτίας της αυξημένης απελευθέρωσης εξωκυττάριων παγίδων (Extracellular Traps, ETs) που προκαλείται από το φλεγμονώδες περιβάλλον του λύκου. Η αυξημένη απελευθέρωση των ETs (ΕTωση) εξαρτάται από την παραγωγή αντιδραστικών ριζών οξυγόνου (Reactive Oxygen Speces, ROS), η οποία επίσης προάγεται από τις φλεγμονώδεις ιδιότητες του περιβάλλοντος του λύκου. Τέλος, δείχνουμε ότι τρεις από τις εμπλουτισμένες κυτταροκίνες στο περιβάλλον του λύκου, οι IFN-α, IFN-γ και IL-6 έχουν την ικανότητα να επάγουν την ETωση στα κοκκιοκυτταρικά κύτταρα. Συμπερασματικά, τα δεδομένα μας αποδεικνύουν τη μειωμένη έκπτυξη των G-MDSC κυττάρων στο μικροπεριβάλλον του λύκου εξαιτίας του σχηματισμού των ETs, μια διαδικασία που αποτελεί ένα καινοφανή τύπο κυτταρικού θανάτου. Επιπλέον, παρέχουμε στοιχεία που υποστηρίζουν τη μεσολάβηση των ROS στο φαινόμενο αυτό. Η εξάλειψη των G-MDSC ενδεχομένως να έχει ως αποτέλεσμα την ελαττωματική ρύθμιση των ανοσολογικών αποκρίσεων συμβάλλοντας έτσι στην εξέλιξη της ασθένειας. Τα ευρήματά μας παρέχουν νέα στοιχεία στην κατανόηση της παθογένειας του ΣΕΛ και θα μπορούσε να συνεισφέρει στην ανάπτυξη νέων θεραπευτικών μεθόδων.