Pronounced regulatory T cell activity in human schistosomiasis:differences in T cell proliferation and cytokine responses before and after treatment with Praziquantel

Abstract

Schistosomiasis is a parasitic disease, which occurs predominantly in Sub - Saharan Africa. While annually an estimated 230 Million individuals become affected, mainly children are at risk of contracting this disease. S. haematobium, one of the 5 main types of Schistosomiasis, is the only one affecting the urinary tract system. With its hot and humid climate as well as often poor water sanitation facilities Gabon is widely affected by S. haematobium. Currently the disease is still effectively treated with the anti-helminth medication Praziquantel, though rapid re-infection compromises long-term effectiveness of this therapy. Hence, life-long immunity via an effective vaccine would be desirable. A number of studies involving various infectious diseases showed a strong correlation between T-reg cells and prolonged disease. This led to the assumption that T-reg cells could play a key role in the immune process once the host becomes infected with the parasite. This study was dedicated to investigate the role of T-reg cells in children infected with S. haematobium in a high prevalence area. Measuring and comparing cell proliferative- and cytokine responses prior and after depletion of T-reg cells allowed to evaluate the cells’ effects. Measurements were carried out before and 6 weeks after treatment allowing to establish any treatment effect on T-reg cells. After identifying T-reg cells as CD4+ CD25high Foxp3+ cells, a comparison of their frequency in different subgroups showed that children infected with S. haematobium had significantly more T-reg cells than non-infected children. Less striking were the results when comparing T-reg cell frequencies in infected children at pre- vs. 6 weeks post-treatment. Possible explanations include the activation of T-effector cells expression increased CD25 – making them undistinguishable from CD25high T-reg cells. Alternatively, the reduction of Treg cell may only occur at a later stage post-infection as previously observed in other studies. Increased T-effector cell activity at post-treatment was also reflected by elevated Th2 cytokines IL5 and IL13 to Schistosome specific Ags AWA and SEA as well as by a remarkable increase of Th1 cytokine IFNgamma to non-specific Ag BCG. However, no decisive treatment effect was visible in cell proliferation which may be related to early measurements or low sensitivity of material. Overall, depletion of T-reg cells resulted in greatest effects at pre-treatment, with generally diminished effects at post-treatment. Varying responses were seen for cytokines IL13 and IL17. Possible explanations may include early measurements post-treatment with still some continued T-reg activity or active post-infectious or post-inflammatory cytokine responses. The observed cytokine responses to specific or non-specific antigens showed a clear Th1 /Th2 polarization. While Th2 cytokines responded primarily to specific helminth antigens AWA and SEA, Th1 cytokines INFgamma and TNFalpha were most responsive to non-specific BCG. In summary, the data presented in this study indicate that human Schistosomiasis is associated with the expansion and increased activity of CD4+CD25high Foxp3+ Treg cells, suppressing both Th1 and Th2 cell proliferation and cytokine release-in particular during the chronic stage of infection. This may contribute to a long-term down-modulation of the host’s immune response while infection is in place. Unclear remains the role of T-reg cells in the immediate phase post-treatment as well as the involvement of certain cytokines (IL13, IL17) re-establishing homeostatis. Besides the need for some long-term observations of T-reg cell and T-effector cell levels, further studies should be directed at identifying the mechanisms of T-reg cell induction and expansion as well as the precise role of specific cytokines, such as IL13 and IL17, post-infection.

Schistosomiasis ist eine parasitäre Erkrankung, die vorwiegend in den Sub-Sahara Staaten Afrikas auftritt. Jährlich sind geschätzte 230 Millionen Menschen von der Krankheit betroffen, wobei Kinder die Hauptrisikogruppe darstellen. S. haematobium, eine der 5 Subspezies, ist die einzige Art, welche die Blase und ableitende Harnwege angreift. Tropisches Klima und oft mangelnder Zugang zu fließend Wasser begünstigen das weit verbreitete Vorkommen von S. haemtobium in Gabun. Aktuell erfolgt eine effektive Therapie durch das Medikament Praziquantel. Doch rasch auftretende Neuinfektionen kompromittieren die Langzeiteffektivität der Therapie, so dass eine lebenslange Immunität mittels eines effektiven Impfstoffs wünschenswert wäre. Verschiedene Infektionsstudien zeigten eine deutliche Korrelation zwischen T-reg Zellen und anhaltendem Krankheitsverlauf. Dies führte zu der Annahme, dass T-reg Zellen eine Schlüsselrolle im Immunprozess spielen könnten, sobald sich der Parasit im Wirt eingenistet hat. Das Ziel dieser Studie war es, die Rolle von T-reg Zellen in S. haematobium infizierten Kindern in einem Hochprävalenzgebiet näher zu erforschen. Hierfür wurden jeweils vor und nach T-reg-Depletion Ag-spezifische und -unspezifische Zellproliferationsraten sowie verschiedene Th1 und Th2 Zytokin-Antworten gemessen und miteinander verglichen. Des Weiteren wurde ein Vergleich der Messungen vor und 6 Wochen nach der Therapie mit Praziquantel durchgeführt. T-reg Zellen wurden zunächst mittels des Oberflächenmarker CD4+ CD25high und des Transkriptionsfaktors Foxp3+ identifiziert. Während sich S. haematobium positive Kindern deutlich mehr T-reg Zellen im Blut hatten als S. haemtobium negativen Kinder, bestand bei den gleichen Kindern vor- und 6 Wochen nach der Behandlung nur ein geringer Unterschied. Mögliche Erklärungen hierfür könnten zum einen aktivierte T-Effektorzellen mit vermehrter Expression von CD25 und dadurch nicht unterscheidbar von CD25high T-reg Zellen oder zum anderen eine erst später auftretende Abnahme von T-reg Zellen sein. Bestätigt wird diese Annahme durch einen signifikanten Anstieg von T-Effektor Zellen nach der Therapie, der sich in einem deutlichen Schub der Th2 Zytokine IL5 und IL13 auf die spezifischen Antigene AWA und SEA und des Th1 Zytokins IFNgamma auf nicht-spezifisches Antigen BCG wiedergespiegelte. Ein Anstieg der Zell Proliferation konnte zu diesem Zeitpunkt nicht festgemacht werden, was möglicherweise auf den frühen Messzeitpunkt oder ggf. auf mangelnde Sensitivität der verwendeten Materialien zurückzuführen sein könnte. Im Allgemeinen waren die Depletionseffekte von T-reg Zellen vor der Behandlung deutlich ausgeprägter als 6 Wochen danach. Abweichungen hiervon zeigten sich bei den Zytokinen IL3 und IL17 und könnten möglicherweise auf den frühen Messzeitpunkt nach der Therapie zurückzuführen sein. Bezüglich der Antigen Reaktionen war eine deutliche Th1 / Th2 Polarisierung zu erkennen. Nach Depletion der T-reg Zellen lösten die spezifische Antigene AWA und SEA v.a. eine Stimulation der Th2-Zytokine IL5 und IL13 aus, während Th1-Zytokine INFgamma und TNFalpha primär auf nicht-spezifisches Antigen BCG reagierten. Zusammengefasst deuten oben genannte Ergebnisse darauf hin, dass Schistosomiasis mit der Expansion und vermehrter Aktivität von CD4+CD25high Foxp3+ T-reg Zellen einhergeht. Während einer chronischen Infektion mit Schistosomiasis werden dabei sowohl Th1- als auch Th2-Zellproliferation mit ihren entsprechenden Zytokin-Antworten unterdrückt. Solange die Infektion aktiv ist, könnte dies langfristig zur Herunterregulierung der Immunantwort des Wirts führen. Unklar bleibt die Rolle von T-reg Zellen sowie von vereinzelten Zytokinen (IL13, IL17) in der unmittelbaren Phase nach der Therapie in der Wiederherstellung eines immunologischen Gleichgewichts. In weiteren Studien sollten sowohl T-reg Zellen sowie auch T-Effektorzellen postinfektiöse längerfristig beobachtet werden. Des Weiteren sollten sich zukünftige Fragen mit den Mechanismen der T-reg Zellen Induktion und Expansion sowie der präzisen Rolle vereinzelter Zytokine postinfektiös, wie z.B. von IL13 und IL17, beschäftigen.