Mouse mesenchymal stem cells suppress antigen-specific TH-cell immunity independent of indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1)

Abstract

Due to their immunosuppressive properties human mesenchymal stem cells (hMSC) represent a promising tool for cell-based therapies of autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS). Mouse MSC (mMSC) have been used extensively to characterize and optimize route of administration, motility, cellular targets and immunosuppressive mechanisms in mouse models of autoimmune diseases, such as experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Tryptophan (trp) catabolism by indolamine-2,3-dioxygenase 1 (IDO1) is a chief endogenous metabolic pathway that tightly regulates unwanted immune responses through depletion of trp and generation of immunosuppressive kynurenines (kyn). IDO1 activity contributes to the immunosuppressive phenotype of hMSC. Here we demonstrate that although IDO1 is inducible in bone marrow-derived mMSC by proinflammatory stimuli such as interferon-gamma (IFN-gamma) and ligands of toll-like receptors (TLR), it does not lead to catabolism of trp in vitro. This failure to catabolize trp is not due to defective TLR signaling as demonstrated by induction of interleukin 6 (IL-6) by TLR activation. While mMSC suppressed the activation of antigen-specific myelin-oligodendrocyte glycoprotein (MOG)-reactive T cell receptor (TCR) transgenic T helper (TH) cells in co-culture, neither pharmacologic inhibition nor genetic ablation of IDO1 reversed this suppressive effect. Finally, systemic administration of both, IDO1-proficient and phenotypically identical IDO1-deficient mMSC equally resulted in amelioration of EAE. mMSC, unlike hMSC, do not display IDO1-mediated suppression of antigen-specific T cell responses. mMSC as therapeutic vehicles in mouse models of autoimmune diseases should be used with caution as preclinical models for human disorders as they lack an important immunosuppressive phenotype of hMSC.

Aufgrund ihrer immunsuppressiven Eigenschaften stellen humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) ein vielversprechendes Werkzeug dar für zellbasierte Therapien von Autoimmunerkrankungen wie Multipler Sklerose (MS). Bisher wurden vielfach murine MSC (mMSC) eingesetzt um Applikationswege, Migrationsverhalten, zelluläre und molekulare Ziele sowie immunsuppressive Mechanismen von MSC zu erforschen, hauptsächlich in Modell-Autoimmunkrankheiten wie z. B. der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), dem Mausmodell der MS. Der durch das induzierbare Schlüsselenzym Indolamin-2,3-Dioxygenase 1 (IDO1) vermittelte metabolische Abbau der essentiellen Aminosäure Tryptophan (trp) ist ein wichtiger Stoffwechsel- und Signalweg zur Kontrolle ungewollter Immunreaktionen. Dies geschieht zum einen durch den Entzug von trp und zum anderen durch die Bildung immunsuppressiver Kynurenine (kyn). IDO1 spielt eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung von Immunreaktionen durch hMSC. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mMSC in vitro kein Tryptophan metabolisieren, obwohl IDO1 durch proinflammatorische Stimuli wie Interferon-gamma (IFN-gamma) oder Toll-like-Rezeptor-Liganden (TLR-Liganden) in mMSC induziert werden kann. Die Abwesenheit dieses immunsuppressiven Stoffwechselweges ist nicht auf defekte TLR-Signalwege zurückzuführen, was wir durch TLR-vermittelte Induktion des Zytokins Interleukin 6 (IL-6) beweisen. mMSC unterdrücken die Aktivierung antigenspezifischer Myelin-Oligodendrocyte-Glycoprotein (MOG)-reaktiver T-Zellen aus T-Zell-Rezeptor-transgenen Mäusen in der Kokultur. Weder pharmakologische Hemmung noch genetischer Knockout von IDO1 konnte diesen Effekt umkehren. Ebenso führte die systemische Infusion von wildtyp- (wt) und phänotypisch identischen IDO1-defizienten mMSC im EAE-Mausmodell gleichermaßen zu einer Entzündungshemmung sowie zur Verbesserung der klinischen Symptome. Im Gegensatz zu hMSC zeigen mMSC keine IDO1-vermittelte Unterdrückung antigenspezifischer T-Zell-Antworten. mMSC als Therapeutika in Mausmodellen von Autoimmunkrankheiten sollten mit Vorsicht betrachtet werden im Bezug auf die direkte Übertragung der Ergebnisse auf humane Krankheiten, da sie einen wichtigen immunsuppressiven Signalweg nicht mit hMSC teilen.