Jean-Paul Coutelier | Institut de Duve

January 2021

Interested in contributing to a special issue

in International Journal of Molecular Sciences

on "The Consequences of Infections on the Host Immune Microenvironment" ?

Contact Jean-Paul Coutelier, guest editor !

https://www.mdpi.com/journal/ijms/special_issues/Infections_Immune

We bestuderen hoe een virus de immuunreacties van zijn gastheer beïnvloedt en welke gevolgen deze veranderingen kunnen hebben op ziekten die losstaan van de infectie, maar die zich tegelijk met de infectie voordoen.

Virale infecties verooraken heel wat ziekten: ze kunnen patiënten van alle leeftijden treffen, alle organen raken en leiden tot uiteenlopende symptomen, een aanzienlijke morbiditeit en soms het overlijden van patiënten. In vele gevallen is de ziekte gekoppeld aan het tropisme van het virus, dat wil zeggen aan het vermogen om selectief de ene of de andere celpopulatie te infecteren. Zo zal een virus dat de cellen van het ademhalingsstelsel infecteert een bronchitis of een longontsteking veroorzaken. Een ander virus dat de cellen van de lever aanvalt kan de oorzaak van een hepatitis zijn.

In bepaalde gevallen zijn de mechanismen bij de door infecties veroorzaakte ziekten complexer. Bijvoorbeeld kunnen de immuunreacties die het virus elimineren, schadelijke bijwerkingen hebben voor de gastheer. Bovendien hebben heel wat virussen het vermogen ontwikkeld om de immuunreacties van hun gastheer te veranderen, ofwel door bepaalde aspecten van de verdediging, die voor hen ongunstig zijn, te onderdrukken, ofwel door andere reacties te activeren die dan het immuunsysteem van zijn antivirale taken afleiden. Het doel van deze modulatie van het immuunsysteem is de virussen te laten ontsnappen aan de verdedigingsmechanismen. Maar aangezien de veroorzaakte wijzigingen zich niet beperken tot de antivirale reacties, hebben ze ook een impact op de algemene werking van het immuunsysteem. Daarom kan een infectie het verloop beïnvloeden van alle pathologieën die zich in de gastheer ontwikkelen op het moment van de infectie en waarvan de mechanismen min of meer afhangen van het immuunsysteem, terwijl ze er in het begin volledig los van stonden.

Dit andere pathogene mechanisme heeft gevolgen op het niveau van de preventie van aan virale infecties gekoppelde ziekten. In het geval van pathologieën die specifiek gekoppeld zijn aan een bepaald virus, zoals windpokken, polio of griep, kan de bevolking beschermd worden met vaccinaties die een verdedigingsmechanisme op punt stellen dat specifiek gericht is tegen het betreffende virus. In het geval van modulaties van het immuunsysteem kunnen heel wat zeer verschillende virussen hetzelfde effect hebben op de reacties van de gastheer. Een vaccinatie tegen één van deze virussen zal dus geen bescherming bieden tegen de uiteenlopende oorzaken van dezelfde pathologie. In dit geval is het dus belangrijker om te begrijpen welke immunitaire mechanismen getroffen worden door deze verschillende infecties en in functie hiervan te handelen.

Interessant is bovendien dat bepaalde ziekten juist kunnen verbeteren door een simultane virale infectie, omdat de veranderingen van de immuunreacties een gunstig effect hebben op de geïnfecteerde gastheer. In deze situaties kan een goed begrip van de mechanismen het mogelijk maken om nieuwe therapeutische benaderingen te definiëren, die gebruikt kunnen worden bij patiënten die geen virale infectie ontwikkeld hebben.

Op praktisch gebied vereist het fundamentele onderzoek naar de effecten van een virale infectie op het immuunsysteem van de gastheer het gebruik van laboratoriumdieren. Er kan immers geen sprake van zijn dat we menselijke testpersonen bewust gaan infecteren om het effect van de virussen op hun immuunreacties te bepalen. De complexiteit van dit systeem en de vele interacties tussen de betrokken cellen maken ook een volledig onderzoek in vitro onmogelijk.

In het laboratorium gebruiken we een infectiemodel met muizen, een dier waarvan het immuunsysteem goed getypeerd is en aanleunt bij dat van de mens. Het betreffende virus heet lactate dehydrogenase elevating virus, afgekort LDV. Dit virus is voor de meeste muizen goedaardig, maar beschikt over het vermogen om het immuunsysteem van zijn gastheer heel sterk maar tijdelijk te veranderen. Daarom is het uitermate geschikt voor het onderzoek naar de indirecte pathologieën veroorzaakt door een infectieuze agens die de immunitaire micro-omgeving verandert. Infectie door het LDV resulteert in de activatie van heel wat immuuncellen, zoals macrofagen, natuurlijke killer-cellen”, of B-lymfocyten die antistoffen afscheiden, maar ook in een kwalitatieve verandering van de reacties van andere cellen, waaronder de T-helperlymfocyten, en in het onderdrukken van bepaalde heel specifieke reacties.

Door dit virus te gebruiken konden we belangwekkende effecten waarnemen op bepaalde ziekten die simultaan opgewekt werden bij de muis. Zo beschermt de activatie van de natuurlijke killer-cellen het dier tegen de groei van bepaalde kankers die van nature gevoelig zijn voor dit type cellen. Met LDV besmette muizen zijn ook beschermd tegen de ontwikkeling van een ziekte die nauw aanleunt bij multiple sclerose en ook tegen bepaalde gevaarlijke bijwerkingen van transplantaties van immuuncellen bij de behandeling van leukemie. Een goed begrip van de complexe mechanismen die opgestart worden door de infectie zou ons in staat kunnen stellen om de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de ernst van deze pathologieën beter te begrijpen en dus om nieuwe methodes te definiëren voor de behandeling ervan.

Aan de andere kant maakt de infectie door het LDV-virus de muizen sterk gevoelig voor andere ziekten. Zo ontwikkelen de dieren veel sneller een septische shock, een ernstige complicatie bij bacteriële infecties. Verder vertonen ze vaker bloedarmoede en een grotere afbraak van bloedplaatjes bij aanwezigheid van antistoffen die zich richten tegen deze cellen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om bij muizen die besmet werden met LDV een klinisch syndroom op te wekken dat heel sterk lijkt op het syndroom dat jonge kinderen kunnen vertonen als gevolg van banale virale infecties en dat gekenmerkt wordt door bloedingen. Deze bloedingen zijn meestal gelukkig vrij beperkt, maar soms kunnen ze het zenuwstelsel bereiken en dan zijn ze veel ernstiger. Dankzij de onderzoeken met muizen konden we aantonen dat de activatie van macrofagen een centrale rol speelt bij de gevoeligheid van de dieren voor deze pathologieën. De overmatige activatie veroorzaakt door het virus zorgt ervoor dat de macrofagen grote hoeveelheden toxische substanties gaan produceren als reactie op bacteriële bestanddelen en dat ze cellen, zoals de rode bloedlichaampjes of de bloedplaatjes waaraan autoantistoffen vastgehecht zijn, gaan vernietigen. De analyse van de mechanismen die leiden tot de activatie van de macrofagen bij een LDV-infectie zal ons misschien in staat stellen om te definiëren hoe deze overmatige activatie verminderd kan worden. De transpositie van deze kennis naar de menselijke pathologieën zou de weg dus vrij kunnen maken voor nieuwe therapeutische behandelingen.

The possibility for evoluted organisms to survive viral infections depends on the ability of their immune system to eliminate the infectious agent. Therefore, numerous mechanisms, involving different types of immune cells such as cytolytic lymphocytes, T helper and B lymphocytes and macrophages, the molecules that allow those cells to communicate, namely the lymphokines, and the products of those interactions, including antibodies, have been elaborated. On the other hand, viral infections strongly modulate the immune microenvironment of the host which often leads to alterations of responses elicited against non-viral antigens and of concomitant diseases with an immune component. Our project is to analyse, in murine models, some aspects of these relations between viruses and the immune system, with a special interest for the consequences of virally-induced modulations of the immune micro-environment on the course of diseases developing concomitantly to the infection in the host.

Viral infections result in a dramatic increase in the proportion of IgG2a

Of particular interest is the fact that all antibody responses are not equal. Indeed, depending on their isotype, immunoglobulins display various properties, such as differential affinity for receptors expressed on phagocytes. During the last years, we found that the isotype of antibody responses was influenced by concomitant viral infections. The effect of the virus resulted in a dramatic increase in the proportion of IgG2a, not only in antiviral antibodies, but also in immunoglobulins with an antigenic target unrelated to viral proteins. The modulations of antibody responses was analysed with more details by using a model of infection with lactate dehydrogenase-elevating virus (LDV), a common mouse nidovirus that induces strong and early immune responses. We could demonstrate that a dual regulation of antibody responses by gamma-interferon (IFN-γ) and interleukin-6 explains this isotypic bias. IgG2a anti-LDV antibodies were found to be more efficient than other isotypes to protect mice against a fatal polioencephalomyelitis induced by the virus. However, the modification of the isotype of antibodies reacting with self antigens could potentially lead to more deleterious autoimmune reactions.

T helper lymphocyte differentiation

This property of viruses to enhance selectively the production of one immunoglobulin isotype could depend on the preferential activation of a subset of T helper lymphocytes. Indeed, different subpopulations of those cells, called Th1 and Th2, respectively, are distinguished in particular by their capability of producing selectively IFN-γ or interleukin-4, which can selectively trigger B lymphocytes to produce IgG2a or IgG1, respectively. We have found that LDV infection results in a suppression of Th2 responses elicited by immunization with an antigen unrelated to the virus. More recently, other populations of Th lymphocytes, such as Th17 cells that are involved in some autoimmune responses, as well as T regulatory lymphocytes that inhibit ongoing responses have been described. Preliminary observations in our group show a dramatic prevention of diseases such as autoimmune encephalitis and graft-versus-host disease in mice acutely infected with LDV. Whether this protective effect of the virus results from a modulation of T helper/ T regulatory cells remains to be determined.

Activation of natural killer cells

Many of the influences that viruses may have on diverse immune responses can be explained by the production of pro-inflammatory cytokines, including IFN-γ. Therefore, our analysis of the relationship between viruses and the immune system has focused on the activation, by LDV, of cells from the innate immune system that are able to secrete this cytokine, namely the natural killer (NK) cells. Within a few days after infection, a strong and transient NK cell activation, characterized by accumulation of this cell population in the spleen, by enhanced IFN-γ message expression and production, as well as by cytolysis of target cell lines was observed. Two pathways of IFN-γ production have been observed that both involve NK cells. The first pathway, found in normal mice, is independent from type I IFN and from interleukin-12. The second pathway involves interleukin-12, but is suppressed by type I IFN. Because NK cells and IFN-γ may participate in the defense against viral infection, we analyzed their possible role in the control of LDV titers, with a new agglutination assay. Our results indicate that neither the cytolytic activity of NK cells nor the IFN-γ secretion affect the early and rapid viral replication that follows LDV inoculation.

Interestingly, NK cell activation results in an increased expression of CD66a (CEACAM-1), an adhesion molecule that display immunoregulatory function on activated T lymphocytes. However, this enhanced expression, that is also found on immature NK cells, results from NK cell stimulation with IL-12 and IL-18, but not with LDV. Therefore, different pathways of NK cell activation, leading to various phenotypes and, probably various functions, may be observed.

Activation of macrophages and enhanced susceptibility to endotoxin shock

Activation of cells of the innate immune system by LDV includes also macrophages and leads to an enhanced response to lipopolysaccharide (LPS), and to an exacerbate susceptibility to endotoxin shock. A synergistic effect of LDV and LPS triggered dramatic production of tumor necrosis factor (TNF) and IFN-γ. Susceptibility to LPS shock was completely mediated by TNF, and partially by IFN-γ. This increased susceptibility of LDV-infected mice to endotoxin shock was not mediated by modulation of the expression of membrane receptors for LPS, but was correlated with increased levels of soluble LPS receptors. In this context, the production of type I IFNs may protect the host against exacerbated pathology by controling the production of IFN-γ.

Blood autoimmune diseases

Virally-induced macrophage activation leads also to an enhanced phagocytic activity, with potential detrimental consequences for ongoing autoimmune diseases. LDV infection resulted in moderate thrombocytopenia in normal animals through enhanced spontaneaous platelet phagocytosis. Our analysis was then focused on autoantibody-mediated blood autoimmune diseases. A new experimental model of anti- platelet response was developed in the mouse. Immunization of CBA/Ht mice with rat platelets was followed by a transient thrombocytopenia and production of autoantibodies that react with epitope(s) shared by rat and mouse platelets. Two IgM anti-platelet monoclonal autoantibodies were further analyzed. They recognized mouse platelet antigens and could induce both platelet destruction and impairment of their function. This response was found to depend on CD4+ T helper lymphocytes reacting with rat, but not with mouse platelets. These anti-rat platelet T helper cells were mainly of the Th1 phenotype. When transferred into naive mice, they enhanced the anti-mouse platelet antibody response induced by subsequent immunization with rat platelets. In addition, depletion of CD25+ cells enhanced the thrombocytopenia induced by immunization with rat platelets whereas adoptive transfer of CD4+CD25+ cells from immunized mice suppressed it. Our results suggest therefore that activation of anti-rat platelet T helper cells can bypass the mechanism of tolerance and result in the secretion of autoreactive antibodies, but this response is still controlled by regulatory T cells that progressively develop after immunization.

We have analysed whether a viral infection could modulate such an autoantibody-mediated autoimmune disease. In mice treated with anti-platelet antibodies at a dose insufficient to induce clinical disease by themselves, infection with LDV or mouse hepatitis virus was followed by severe thrombocytopenia, whereas infection alone, without autoantibody administration led to a moderate disease. Similarly, administration of anti-erythrocyte monoclonal autoantibody to mice resulted in the development of a transient hemolytic anemia that was dramatically enhanced by a simultaneous infection with LDV, leading to the death of most animals. This viral infection induced an increase in the ability of macrophages to phagocytose in vitro autoantibody-coated red cells, and an enhancement of erythrophagocytosis in the liver.

Treatment of thrombopenic or anemic mice with clodronate-containing liposomes and with total IgG indicated that opsonized platelets and erythrocytes were cleared by macrophages. Administration of clodronate-containing liposomes decreased also the in vitro phagocytosis of autoantibody-coated red cells by macrophages from LDV-infected animals. The increase of thrombocytopenia triggered by LDV after administration of anti-platelet antibodies was largely suppressed in animals deficient for IFN-γ receptor. Moreover, LDV infection resulted in an increased expression of receptors recognizing the Fc portion of antibodies, which may at least partially leads towards the enhanced phagocytic activity of macrophages. Together, these results suggest that viruses may exacerbate autoantibody-mediated thrombocytopenia and anemia by activating macrophages through IFN-γ production, a mechanism that may account for the pathogenic similarities of multiple infectious agents. Regulation of macrophage activation results in modulation of autoantibody-mediated cell destruction and may be considered as a possible treatment for autoimmune diseases that involve phagocytosis as a pathogenic mechanism.

Together, these two models may correspond to the development of some auto-immune diseases: a first stimulus triggers the production of autoantibodies, through molecular mimicry. A second stimulus, such as a viral infection, leads to the activation of macrophages and results in the destruction of opsonized target cells.

Complete list on PubMed