Positive effect of obesity on rapamycin-induced prolongation of allograft survival associated with induction of myeloid-derived suppressor cells and regulatory T cells

Abstract

Adipositas hat sich aufgrund einer stetig zunehmenden Zahl adipöser Transplantationskandidaten und -empfängern zu einem erheblichen Problem in der Transplantationsmedizin entwickelt. Trotz der hohen Relevanz für den Transplantationserfolg befindet sich die Forschung zu der Frage, wie die Wirkung von Immunsuppressiva durch Adipositas beeinflusst werden könnte, noch in der Anfangsphase. In dieser Studie wurde mittels einem murinen Modell mit diätetischer Adipositas der Effekt des häufig verwendeten immunsuppressiven Medikaments Rapamycin auf Immunzellen und das Überleben von Hauttransplantaten untersucht. Nach einer fettreichen Diät wurden adipöse Mäuse einer vollständig Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC-) inkongruenten Hauttransplantation unterzogen. Beginnend mit dem Tag der Transplantation wurden die Transplantatempfänger täglich mit 2 mg/kg Rapamycin behandelt. Das Überleben des Transplantats wurde überwacht und an definierten postoperativen Tagen sowie am Tag der Transplantatabstoßung wurden pro- und anti-inflammatorische Zellen, wie myeloide Suppressorzellen (MDSCs), T-Zellen und Makrophagen, mittels Durchflusszytometrie mit zelltypspezifischen Antikörpern quantifiziert. Als Maß für die immunsuppressive Aktivität von MDSCs wurde die Suppression der Proliferation von kokultivierten T-Zellen mit dem Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE)-Proliferationsassay bestimmt. Um Hinweise auf Mechanismen, die den Beobachtungen auf zellulärer Ebene zugrunde liegen, zu erhalten, wurde die Expression potenziell relevanter mRNAs durch MDSCs mittels qPCR analysiert und die Plasmakonzentrationen ausgewählter Chemokine und Zytokine gemessen. Die Behandlung mit Rapamycin verlängerte die Überlebenszeit der Hauttransplantate, dieser Effekt war bei adipösen Empfängern signifikant stärker ausgeprägt als bei ihrer schlanken Vergleichsgruppe. Bei adipösen Empfängertieren erhöhte Rapamycin den Anteil der monozytären MDSCs (M-MDSCs) und, was von höherer Bedeutung ist, ebenso deren Fähigkeit, T-Zell-Proliferation zu unterdrücken. Darüber hinaus hatten adipöse Mäuse, die mit Rapamycin behandelt wurden, mehr immunsuppressive regulatorische T-Zellen (Tregs) als entsprechende normalgewichtige Tiere. Mit Rapamycin behandelte adipöse Transplantatempfänger zeigten auch eine veränderte Zusammensetzung der T-Zell- und Makrophagen-Populationen mit einer deutlichen Verschiebung hin zu anti-inflammatorischen Zelluntergruppen. Die Expression bestimmter mRNAs, die für Proteine kodieren, welche an der Immunregulation durch MDSCs beteiligt sind, veränderte sich im Verlauf von der Transplantation bis hin zur Transplantatabstoßung, was sowohl mit der Adipositas als auch mit der Rapamycin-Behandlung assoziiert werden konnte. Insgesamt geht die Generierung und Aktivierung von immunsuppressiven M-MDSCs in Rapamycin-behandelten adipösen Transplantatempfängern mit einer Zunahme von Tregs und anti-inflammatorischen M2-ähnliche Makrophagen einher, die das verlängerte Überleben des Transplantats zusätzlich begünstigt haben könnten. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise auf Adipositas-spezifische positive Effekte von Immunsuppressiva, die in der klinischen Praxis weit verbreitet sind.

Obesity has emerged into a substantial problem in transplantation medicine with steadily increasing numbers of obese graft donors and recipients. Despite this development and high impact on the transplantation outcome, research addressing the question how the effectiveness of immunosuppressive drugs might be modulated by obesity is still in its initial phase. In this study, the effect of the widely used immunosuppressive drug rapamycin on immune cells and skin allograft survival was investigated in a murine model of diet-induced obesity. After having received a high-fat diet, obese mice underwent full major histocompatibility complex (MHC-) mismatched skin allograft transplantation. Starting at the day of transplantation, allograft recipients were treated daily with 2 mg/kg rapamycin. Allograft survival was monitored and at defined postoperative days and the day of allograft rejection, pro- and anti-inflammatory cells, such as MDSCs, T cells and macrophages, were quantified by flow cytometry with cell type-specific antibodies. As a measure of the immunosuppressive activity of MDSCs, suppression of proliferation of co-cultivated T cells was determined with the carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) proliferation assay. To get hints on mechanisms underlying the observations on the cellular level, expression of potentially relevant mRNAs by MDSCs was analyzed by qPCR, and plasma concentrations of selected chemokines and cytokines were measured. Strikingly, rapamycin treatment prolonged skin allograft survival and this effect was significantly more pronounced in obese recipients compared to their lean counterparts. In obese mice rapamycin increased the percentage of M-MDSCs and even more importantly enhanced their capacity to suppress T cell proliferation. In addition, obese mice treated with rapamycin had more immunosuppressive regulatory T cells than corresponding lean animals. Rapamycin-treated obese allograft recipients also showed altered compositions of T cell and macrophage populations with a shift towards anti-inflammatory cell subsets. Expression of certain mRNAs encoding proteins involved in immunoregulation of MDSCs changed between allograft transplantation and rejection, and as a consequence of rapamycin treatment and obesity. Taken together, generation and activation of immunosuppressive M-MDSCs in rapamycin-treated obese allograft recipients is accompanied by an increase of Tregs and anti-inflammatory M2-like macrophages which may additionally support allograft survival. These results provide first evidence of obesity-dependent positive effects of immunosuppressive drugs that might pave the way towards more tailored protocols for obese graft recipients.