Myeloid-derived suppressor cells in cryopyrin-associated periodic syndromes

Abstract

Recurrent episodes of systemic inflammation are the hallmarks of cryopyrinassociated periodic syndromes (CAPS), leading to symptoms like fever, urtricaria and sensorineural hearing loss. Due to mutations in the NLRP3 gene, encoding for cryopoyrin, one of the key components of the NLRP3 inflammasome, patients show elevated levels of IL-1β. Previous studies demonstrated that the overactivation of the inflammasome resulting in high levels of IL-1β leads to elevated numbers of myeloidderived suppressor cells (MDSC). This innate immune cell population is heterogeneous and able to suppress T-cell responses, which renders MDSCs key players in the balance between innate and adaptive immunity. This led us to the hypothesis that MDSCs might be increased in CAPS patients, due to induction of NLRP3 inflammasome-dependent factors, being able to influence the disease outcome by regulating the autoinflammation. Therefore, we investigated the potential role of MDSCs in CAPS by combining ex vivo and in vitro studies. We could show that granulocytic MDSCs (G-MDSCs), defined as SSChigh, CD66b+, CD33+, CXCR4+, CD16+, CD14- and HLA-DRlow, were generally elevated in CAPS patients compared to healthy age-matched controls, even under effective anti-IL-1 therapy. Patient’s G-MDSCs were shown to be functionally competent as they suppressed polyclonal CD4+ and CD8+ T-cell proliferation. Also, cytokine secretion of IFNγ and IL-17 by T cells was decreased through G-MDSCs. In addition, we could show that G-MDSCs had a direct antiinflammatory effect by suppressing monocytic IL-1β secretion. Furthermore, several cytokines and growth factors elevated in CAPS patients could be identified, which were already associated with G-MDSC-induction, like GM-CSF and VEGF. These findings were corroborated by in vitro studies showing that several IL-1 family cytokines and autoinflammation-associated alarmins were able to induce functional G-MDSCs, meaning that these identified factors might account for induction of G-MDSCs in patients besides IL-1β. Taken together, an increased G-MDSC population in CAPS might represent a so far underappreciated autologous anti-inflammatory mechanism in autoinflammatory conditions and might be used for therapeutic approaches in the future.

Die Cryopyrin-assoziierten periodischen Syndrome (CAPS) sind definiert durch wiederkehrende Episoden systemischer Entzündungsreaktionen, unter anderem gekennzeichnet durch Fieber, Hautauschläge und sensorineurale Schwerhörigkeit. Die Syndrome haben ihre genetischen Ursachen in Mutationen im Gen für NLRP3, welches als Cryopyrin exprimiert wird. Cryopyrin ist einer der Hauptbestandteile des NLRP3 Inflammasoms, wodurch die Folge dieser Mutation ein erhöhter Level an IL- 1β ist. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass eine Überaktivierung des Inflammasoms und somit auch erhöhte IL-1β Sekretion zu einer Induktion von myeloiden Suppressorzellen (MDSCs) führt. MDSCs sind eine heterogene Zellpopulation des angeborenen Immunsystems und in der Lage T-Zellantworten zu supprimieren. Dadurch nehmen MDSCs eine wichtige Rolle im Gleichgewicht zwischen angeborener und erworbener Immunität ein. Diese Beobachtungen führten uns zu der Hypothese, dass MDSCs in Patienten mit CAPS erhöht sein könnten, induziert durch Faktoren, die durch das NLRP3 Inflammasom sezerniert werden. Dadurch ist es möglich, dass MDSCs regulierend auf den Krankheitsverlauf von CAPS Patienten Einfluss nehmen. Hierfür studierten wir die mögliche Funktion von MDSCs in CAPS durch eine Kombination von ex vivo und in vitro Experimenten. Wir konnten zeigen, dass granulozytäre MDSCs (G-MDSCs), per Definition SSChigh, CD66b+, CD33+, CXCR4+, CD16+, CD14- und HLA-DRlow, in CAPS Patienten erhöht sind im Vergleich zu gesunden Spendern gleichen Alters. Dies konnte auch für Patienten mit effektiver anti-IL-1 Therapie gezeigt werden. Die G-MDSCs der Patienten waren funktionell, indem sie die Proliferation von CD4+ und CD8+ T Zellen Dosis-abhängig supprimierten. Zusätzlich konnte eine verminderte Zytokinsekretion von IFNγ und IL- 17 gezeigt werden. Darüber hinaus konnten wir eine verminderte Ausschüttung von IL-1β durch Monozyten beobachten, was auf eine direkt anti-inflammatorisch Wirkung von MDSCs in CAPS Patienten hinweist. In weiteren Experimenten wurden verschiedene Zytokine und Wachstumsfaktoren identifiziert, die im Serum der Patienten erhöht sind. Hierzu gehören zum Beispiel GM-CSF und VEGF, von denen bekannt ist, dass sie G-MDSCs induzieren. Diese Entdeckung wurde in in vitro Experimenten vertieft, in denen gezeigt werden konnte, dass Mitglieder der IL-1 Familie, sowie verschiedene bei Autoinflammation erhöhte Alarmine, in der Lage 7 sind, funktionelle G-MDSCs zu induzieren. Dies bedeutet wiederum, dass neben IL- 1β noch weitere Faktoren für die erhöhte Anzahl an G-MDSCs bei CAPS Patienten verantwortlich seien dürften. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass CAPS Patienten mehr G-MDSCs besitzen als gesunde Kontrollen und dass G-MDSCs somit einen autologen Mechanismus der Entzündungsbegrenzung darstellen. Diese Ergebnisse könnten in Zukunft für zusätzliche Therapieoptionen autoinflammatorischer Krankheiten von Nutzen sein.