Seltene Immunzellen in erstaunlich hohen Mengen bei Menschen über 110 Jahren zeigen ein ungewöhnliches Muster der klonalen Expansion, Differenzierung und funktionellen Flexibilität.

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In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Cell Reports veröffentlichten Studie charakterisierten Forscher CD4 zytotoxische T-Lymphozyten (CD4 CTLs) bei Supercentenarianern.

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Das Altern geht mit einem allmählichen Funktionsverlust einher, der durch zelluläre und molekulare Veränderungen wie zelluläre Seneszenz, DNA-Mutationen und mitochondriale Dysfunktion verursacht wird. Supercentenarianer, Menschen im Alter von 110 Jahren oder älter, bieten ein Modell für gesundes Altern, da sie Langlebigkeit erreichen und altersbedingte Krankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen aufschieben oder vermeiden. Ihre epigenomischen, immunologischen und kardiovaskulären Profile erscheinen für ihr Alter jünger.

Die Autoren berichteten zuvor von einer erhöhten Häufigkeit von CD4 CTLs bei Supercentenarianern. Diese Zellen sind unter normalen Bedingungen im peripheren Blut selten, wurden jedoch während Virusinfektionen beobachtet, einschließlich der SARS-CoV-2-Infektion. Neuere Studien zeigen, dass CD4 CTLs Tumorzellen bei verschiedenen Krebsarten, einschließlich kolorektalem Krebs und Melanom, abtöten können. Dennoch bleibt die Rolle der CD4 CTLs im gesunden Altern unbekannt.

Graphische Zusammenfassung, die die vorgeschlagene Expansion und Diversifizierung von CD4 zytotoxischen T-Lymphozyten (CD4 CTLs) nach wiederholter Stimulation durch persistente MHC-Klasse-II-präsentierte Antigene veranschaulicht, wobei klonal expandierte Zellen unterschiedliche funktionelle Subtypen annehmen.

Die Studie und Ergebnisse

In der aktuellen Studie charakterisierten die Forscher die CD4 CTLs in älteren Altersgruppen mit einem Fokus auf Supercentenarianer. Zunächst erstellten sie Einzelzell-Profile von Oberflächenproteinen, Transkriptomen und T-Zell-Rezeptor (TCR)-Sequenzen von T-Zellen von acht Personen im Alter von 70–90 Jahren, 10 Hundertjährigen und 10 Supercentenarianern. Insgesamt wurden 43.584 T-Zellen gesammelt und in 13 Cluster unterteilt, wobei γδ, CD8 und CD4 T-Zellen die Hauptklassen darstellten.

CD4 CTLs wurden aus den CD4-Clustern identifiziert, basierend auf der Co-Expression von zytotoxischen Genen (Granzyme H [GZMH] und Granzyme B [GZMB]) und CD4. CD4 CTLs nahmen in den drei Altersgruppen zu; die medianen Anteile betrugen 4 % bei Nicht-Hundertjährigen, 9,6 % bei Hundertjährigen und 17,6 % bei Supercentenarianern. Bemerkenswert ist, dass ein klinisch gesunder Nicht-Hundertjähriger den höchsten Anteil an CD4 CTLs aufwies. Eine modellbasierte Analyse öffentlicher Einzelzell-Datensätze, die mehr als 1.500 Proben über die menschliche Lebensspanne abdeckte, zeigte weiterhin, dass CD4 CTLs in jüngerem Alter relativ selten waren, aber in extremem Alter deutlich in Bezug auf Häufigkeit und Variabilität zunahmen.

Das Team untersuchte dann den offensichtlichen Übergang von CD4-Helferzellen zu einem zytotoxischen Phänotyp. CD4 CTLs waren durch den Verlust von CD27 und CD28 gekennzeichnet, was sie von den übrigen CD4-Clustern unterschied. CD4 CTLs wiesen einen charakteristischen Phänotyp von CD45RO+, CD45RA−, CCR7− und PD-1− auf, was auf eine fortgeschrittene Differenzierung ohne Anzeichen von Erschöpfung hindeutet.

Transkriptionsanalysen bestätigten dieses Phänotyp und zeigten eine geringe Expression von Genen, die mit Erschöpfung assoziiert sind, wie Lymphozyten-aktivierendes Protein 3 (LAG3) und CTL-assoziiertes Protein 4 (CTLA4). Eine CD27−CD28+-Population, die 10,5 % der CD4 T-Zellen ausmachte, wurde als potenzieller Übergangsstatus zwischen CD4-Helferzellen und CTLs identifiziert, was mit dem Verlust von CD27 vor CD28 während dieses Übergangs übereinstimmt. Die Forscher konzentrierten sich dann auf die TCR-Repertoires der CD4 CTLs und charakterisierten ihre Rezeptorzusammensetzung und klonale Struktur.

Die klonale Expansion von CD4 CTLs wurde in allen Proben festgestellt. Darüber hinaus wurde die duale TCR-Expression, d.h. die Expression von zwei Alpha- oder Beta-Ketten in einer einzigen T-Zelle, in fünf Hauptklonen beobachtet, obwohl doppelte TCRs nicht einzigartig für CD4 CTLs sind und ihre funktionelle Bedeutung unklar bleibt. Das TCRγ-Gen wurde in CD4 CTLs etwa auf halbem Niveau im Vergleich zu γδ T-Zellen exprimiert. Das Team erforschte dann potenzielle antigenische Ziele für CD4 CTLs in öffentlichen TCR-Datenbanken, indem es die Sequenzen von komplementär-determinierten Regionen 3β (CDR3β) aus den Hauptklonen analysierte.

CDR3β-Sequenzen stimmten mit denen von T-Zellen überein, die in Proben von nicht-kleinzelligem Lungenkrebs, Brustkrebs und hepatozellulärem Karzinom expandiert waren. Die Übereinstimmungen basierten jedoch nur auf den CDR3β-Sequenzen und beweisen nicht, dass die T-Zellen die gleichen Antigene erkennen. Eine sekundäre Einzelzell-Analyse wurde dann durchgeführt, wobei zwei Proben aus jeder Altersgruppe verwendet wurden, um Einblicke in die Funktion von CD4 CTLs zu gewinnen. Die Zellen wurden in zwei Sätze aufgeteilt: unstimulierende Kontrollen und Zellen, die ex vivo mit PMA und Ionomycin stimuliert wurden. Transkriptome, TCRs und Oberflächenproteine wurden profilisiert.

Die Zellen wurden in acht Cluster klassifiziert, in zwei Hauptklassen unterteilt: aktivierte (CD69+) und quieszente (CD69−) Zustände. Diese beiden Klassen bestanden aus jeweils vier Clustern: CD8 T-Zellen, CD4-naive Zellen, CD4-Helferzellen und CD4 CTLs. Die zwischenliegende CD27−CD28+-Population wurde sowohl in ruhenden als auch in aktivierten Zuständen identifiziert. Perforin 1 (PRF1) und GZMB wurden in aktivierten Zellen hochreguliert, während GZMH und GZMA herunterreguliert wurden.

Aktivierte Zellen zeigten eine erhöhte Expression der entzündlichen Zytokine Tumornekrosefaktor (TNF)-α und Interferon (IFN)-γ. Eine Subcluster-Analyse der aktivierten Zellen unter Verwendung von Interleukin (IL)-Genen ergab acht Cluster, von denen jeder distinct IL-Expressionmuster aufwies. Ein Cluster wies hohe Mengen von IL-13 und IL-4 auf, während ein anderer Cluster hohe Mengen von IL-21 hatte. Trotz der Unterschiede in den spezifischen ILs hatten alle Cluster hohe Mengen von IFN-γ und TNF-α. Stark expandierte TCR-Klone waren über mehrere zytokin-definierte Subgruppen verteilt, was darauf hindeutet, dass Zellen innerhalb des gleichen Klons unterschiedliche Zytokinprofile nach der Aktivierung annehmen können.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CD4 CTLs in späteren Lebensphasen zunehmen, wobei eine erhebliche klonale Expansion in allen Altersgruppen beobachtet wurde. Einige Hauptklone zeigten eine doppelte TCR-Expression, während CD4 CTLs auch die nicht-kanonische Aktivierung von TCRγ-Genen zeigten. Die besten TCR-Klone, selbst von gesunden Supercentenarianern, stimmten mit CDR3β-Sequenzen von Krebspatienten überein, aber diese Überschneidungen zeigen nicht, dass die Zellen gemeinsame Antigenspezifität haben. Insgesamt könnten CD4 CTLs sich expandieren und diversifizieren, als adaptive Antwort auf persistente Antigene, was potenziell zur Langlebigkeit und zur Krebsunterdrückung beiträgt.

Die Autoren warnen jedoch, dass die Studie die Funktionen der Zellen nicht direkt in vivo festlegte, sich auf zirkulierende anstelle von gewebsständigen T-Zellen konzentrierte und auf ex vivo-Stimulation in einer relativ kleinen Kohorte basierte. Die Ansammlung von CD4 CTLs wurde auch mit entzündlichen und autoimmunen Pathologien in anderen Kontexten in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass diese Zellen im Alter als zweischneidiges Schwert wirken könnten.

Quellen:

Journal reference: