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科学与运输医学。作者手稿;PMC 2021 2月16日提供。
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预防性维修识别码:项目管理委员会7886371
NIHMSID公司:美国国立卫生研究院1669509
PMID:33148622

少突胶质细胞衍生细胞外囊泡作为抗原特异性治疗小鼠自身免疫性神经炎

关联数据

补充资料

摘要

多发性硬化症(MS)等自身免疫性疾病的发生是由于对特定自身抗原(Ag)的外周免疫耐受失败。实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)是一种多发性硬化症(MS)的动物模型,许多Ag特异性抑制自身免疫性神经炎的方法已被证明有效。其中一种方法是通过注射用于触发EAE的髓鞘Ag来诱导静脉耐受。然而,由于MS患者相关髓鞘糖蛋白的不确定性,将这种和类似的实验策略转化为MS治疗受到了阻碍。为了解决这个问题,我们开发了一种依赖少突胶质细胞(Ol)衍生的细胞外囊泡(Ol-EV)的治疗策略,该囊泡天然含有多个髓磷脂Ag。在几种EAE模型中,静脉注射Ol-EV在预防和治疗方面以髓鞘Ag依赖的方式降低了疾病的病理生理学。该治疗是安全的,通过诱导免疫抑制单核细胞和自身反应性CD4的凋亡来恢复免疫耐受+T细胞。此外,我们还发现,人类Ols还释放了包含最相关髓磷脂Ags的EV,为其用于MS治疗提供了基础。这些发现介绍了一种以髓磷脂Ag特异性方式抑制中枢神经系统(CNS)自身免疫的方法,而无需识别靶Ag。

简介

多发性硬化(MS)是中枢神经系统(CNS)最常见的自身免疫性脱髓鞘疾病(1,2). 基于抗原(Ag)特异性外周免疫耐受恢复的MS治疗是MS研究的一个长期目标,因为所有当前的MS治疗都以Ag非特异性的方式靶向免疫系统(). 抗原特异性治疗的先决条件是了解自身免疫反应靶向的相关自身抗原。人们普遍认为MS的发病机制是由对少突胶质细胞(Ol)产生的髓鞘Ags的自身免疫驱动的。然而,MS中的相关自身Ag仍然是推测性的,有可能这些Ag在患者之间不同,并且在同一患者中超时(4). 根据MS实验模型的研究结果,提出了几种诱导Ag特异性耐受的方法,其中一些已经进行了临床试验(,4). 我们和其他人已经报道了给予游离的致脑肽或与纳米粒子或凋亡细胞偶联的肽(510)通过各种途径(静脉、口服、鼻腔等)诱导Ag特异性免疫耐受并改善CNS疾病。诱导耐受的机制包括诱导耐受性树突状细胞(DC)和免疫抑制巨噬细胞,减少致病性CD4+淋巴细胞T辅助因子1和17(TH(H)1和TH(H)17) 细胞反应(11)并诱导T调节(T法规)和1型调节性T(Tr1)细胞(12). 虽然静脉耐受诱导已显示出对实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的治疗效果,但这种方法的安全性仍然令人担忧,因为静脉注射髓鞘银可能会恶化疾病而不是改善疾病(,4,13).

在本研究中,我们开发了一种治疗方法,通过使用Ol-衍生细胞外囊泡(Ol-EV)来恢复CNS自身免疫的免疫耐受,Ol-EVs天然包含最相关的髓磷脂Ags(14). EV是几乎所有细胞分泌的蛋白样膜包裹颗粒,在细胞间通讯中发挥作用(15,16). 多项研究已将EV用于实验性自身免疫性疾病的治疗,报告了其安全性,并有望用于临床(1720). 我们在这里表明,静脉注射Ol-EV可以预防和治疗慢性和复发性EAE模型中的临床疾病。Ol-EV的作用是髓鞘银依赖性的。单核细胞介导Ol-EV在EAE中的有益作用,因为它们以白细胞介素-10(IL-10)依赖性的方式上调程序死亡1(PD-L1)的表达,导致致脑病CD4细胞凋亡+T细胞。总的来说,在这项研究中,我们描述了一种以抗原特异性方式治疗中枢神经系统自身免疫性脱髓鞘疾病的方法,而无需识别靶抗原。

结果

成熟Ols释放EVs,其中包含最相关的髓磷脂Ags

为了产生Ol-EV,我们采集了小鼠CNS血小板衍生生长因子受体阳性(PDGFR+)并将其分化为Ol祖细胞(OPCs),最后分化为成熟Ol(21). 在培养3周后,60%以上的细胞成为成熟的CNPase+GalC公司高的表达髓磷脂碱性蛋白(MBP)、髓磷脂糖蛋白(MOG)和髓磷脂蛋白脂质蛋白(PLP)的Ols(图1A图S1、AE类). OPC和成熟Ols生产了大量EV(7×1011每毫升颗粒数),平均直径为240 nm,由低温电子显微镜(cryo-EM)和纳米颗粒跟踪分析(NTA)测定(图1B图S1G). 根据细胞外囊泡研究(MISEV)指南的最低信息,对Ol-EV和主要EV标记物进行质谱分析(22),如所示图1C图S1H我们还检测到多种髓鞘蛋白,包括MBP、MOG和PLP(图1D),并通过酶联免疫吸附试验(ELISA)测定其浓度(图1E).

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成熟Ols释放包含髓鞘蛋白的EV。

(A类)MBP(绿色)、MOG(红色)和细胞核(蓝色)染色的成熟Ol的代表性免疫荧光。比例尺,20μm;放大倍数,×60。(B类)纯化Ol-EV的冷冻电镜;比例尺,200 nm。(C类)根据2018年MISEV指南,定量质谱分析中与EV相关的显著富集蛋白质的热图。表达式基于Z轴-评分无标签量化并表示为对数2。显示了每个条件下三次重复的平均值。(D类)通过质谱法测定Ol-EVs的相关髓鞘蛋白含量。显示了每个条件下三次重复的平均值。将数值与OPC衍生电动汽车进行比较,并显示为日志2. (E类)通过ELISA(平均值±SEM)对Ol-EV颗粒中的MBP、MOG和PLP进行定量(n个=每组10人)***P(P)通过Bonferroni’s单因素方差分析和事后检验,<0.0005。(F类)静脉注射Ol-EV或HEK-EV的幼年C57BL/6小鼠的存活曲线(n个=每组15人)。(G公司)用ELISA(平均值±扫描电镜)测定注射Ol-EV(红点)的C57BL/6幼鼠血清中抗-MOG免疫球蛋白(Ig)浓度。对照血清是从未注射(假注射、开环注射)的幼年小鼠或用rMOG免疫的EAE小鼠中收集的1–125(Ctrl键+,黑点)(n个≥5个/组)。所有实验至少进行了两次。(E和G)****P(P)通过Bonferroni的单因素方差分析和事后检验,<0.00001。外径,光密度。

为了确定Ol-EV是否对小鼠有害,我们每三天向8至10周龄的C57BL/6幼鼠静脉注射Ol-EVs,共注射六次。作为对照,我们注射了人类胚胎肾(HEK)细胞衍生EVs(HEK-EVs)。我们没有发现Ol-EV和HEK-EV注射对小鼠存活率有任何影响(图1F)在开始Ol-EV给药1个月后,我们没有检测到针对MOG(包含在注射的Ol-EVs中)的抗体(Abs)(图1G). 总的来说,这些数据表明,成熟Ols释放含有多个髓磷脂Ag的EV,小鼠对Ol-EV的静脉注射有良好的耐受性。

注射Ol-EV抑制几种EAE模型中的疾病

为了确定Ol-EVs是否可以恢复EAE的免疫耐受,我们在三种活动性EAE模型中测试了它们的作用,即慢性(MOG35–55/C57BL/6,MBP交流(1-11)/B10.PL)和复发缓解(PLP139–151/SJL)临床疾病。在临床疾病发展之前或疾病发作之后,我们在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中静脉注射三次同基因Ol-EVs(Ol-EV/i.v.),间隔3天。对照组小鼠静脉注射PBS(假治疗)、PBS中的免疫肽或PBS中HEK-EV。Ol-EV在所有三种EAE模型的预防和治疗方案中均改善了临床疾病,而HEK-EVs没有效果(图2,AtoF)。F类). 最后一次注射后,当小鼠被处死时,治疗效果持续至少2周。在PLP中139–151/SJL EAE模型,Ol-EV治疗有疗效,但在进行中的疾病中比其他两种EAE模型的疗效稍差。PLP的相对电阻139–151/其他研究人员报道了SJL EAE对静脉耐受诱导的作用(23). 我们还测试了Ol-EV在过继性EAE中的治疗效果,其中受体新生C57BL/6小鼠移植了MOG35–55-特异性CD4+来自EAE供体小鼠的T细胞。Ol-EV治疗阻止了EAE进展(图S2,AC类)因此,在主动EAE和过继EAE中表现出相似的治疗效果。与静脉注射相比,皮下注射Ol-EV并没有改善EAE(图S3,AB类)提示静脉途径可能对诱导Ol-EV耐受至关重要。

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Ol-EV/i.v.可预防性和治疗性抑制活性EAE。

(A类F类)大约1010将同基因Ol-EV或HEK-EV静脉注射(红色箭头)于C57BL/6、B10.PL或SJL/J小鼠,用MOG免疫以诱导EAE35–55、MBP交流1–11,或PLP139–151分别是。在C57BL/6和B10中,Ol-EV治疗是预防性的(A至C;免疫后1、4和7天(d.p.i)。PL EAE小鼠或SJL/J EAE小鼠中的−7和−2 d.p.i.)或治疗性(C57BL/6和B10.PL EAE小鼠中的d至F;11、14和17 d.p.i,或SJL/J EAE鼠中的24、27和30 d.pi.)。肽MOG35–55(每只小鼠200μg),MBP交流1–11(每只小鼠400μg)和PLP139–151平行静脉注射(每只小鼠100μg)进行比较。每种肽/静脉注射的剂量与EAE诱导免疫所用的剂量相同。这些实验至少做了两次,结果相似(n个=每组10只小鼠)。符号表示日平均值±SEM。数据通过双向方差分析和Bonferroni的多重比较进行分析;NS(不显著)*P(P)< 0.01; **P(P)< 0.001; ***P(P)< 0.0005; ****P(P)< 0.00001. (G公司)分别按(D)至(F)所述处理的EAE小鼠的存活率(%)(n个=每组15至30只小鼠)。数据通过Gehan-Breslow-Wilcoxon试验进行分析***P(P)< 0.0001.

与临床疾病的改善一致,Ol-EV治疗保护EAE小鼠免受神经病理学症状、脱髓鞘和轴突损伤(图S3、CD类). 此外,Ol-EV治疗减少了浸润CD45的数量+和CD4+中枢神经系统细胞和脾细胞对免疫肽的回忆反应减弱(图S3、EH(H)).

虽然静脉注射游离促脑肽对EAE有治疗作用,但重复注射会导致部分小鼠过敏性休克和死亡(24). 总的来说,Ol-EV的效果与MOG相似35–55和MBP交流(1-11),我们实验中包含的肽作为阳性对照;然而,Ol-EV/静脉注射被证明比肽/静脉注射更安全(图2G). 这些数据表明,静脉注射Ol-EV可以抑制多种EAE模型中正在进行的临床疾病。

Ol-EV对EAE的抑制作用是髓鞘银依赖性的

为了阐明Ol-EV抑制EAE的机制,我们首先使用MOG测定Ol-EVs对血T细胞的时间效应35–55-特异性T细胞受体(TCR)转基因2D2小鼠。向初生2D2小鼠注射Ol-EV/i.v.可降低CD4的数量+外周血T细胞(图3A)和脾脏(图S4、AC类),但动力学明显慢于MOG35–55/静脉注射。CD4细胞+T细胞变成caspase 3+Ol-EV注射24小时后,而MOG35–55仅在6小时后诱导caspase 3的稳健表达(图3,B和C)。C类). 这些数据表明CD4细胞凋亡+T细胞是Ag特异性的,因为它不是由HEK-EV处理诱导的。

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Ol-EV产生的髓鞘银在体内呈现给T细胞,Ol-EVs抑制EAE是髓鞘银依赖性的。

(A类)循环血CD4的时间进程(平均值±SEM)+静脉注射Ol-EV、对照HEK-EV或MOG治疗MOG-特异性TCR-转基因小鼠(2D2)后6、24和48小时的T细胞35–55肽(100μg)(n个=每个实验中每组5个)。(B类C类)循环血CD4中Caspase 3的表达(平均值±SEM)+来自注射了Ol-EVs的2D2小鼠的T细胞。(D类)2D2或OT-II初始CD4+T细胞(5×106)将CFSE标记物注入CD45.1+受体小鼠。48小时后,用含有MOG的乳液对小鼠进行皮下免疫35–55+完全弗氏佐剂(CFA)或OVA323–339+CFA或巡回注射1010HEK电动汽车或Ol电动汽车。72小时后,收集脾脏和CD45.2+CD4细胞+流式细胞术分析T细胞(2D2和OT-II)。(D和F)2D2和OT-II细胞的细胞因子产生(IFN-γ和IL-17A)、PD-1表达(E和I)和增殖(CFSE稀释;G和H)(平均值±SEM)。这些实验进行了两次,结果相似(n个=每组5只小鼠)。采用Bonferroni事后检验对(A)、(F)、(H)和(I)中的数据进行双向方差分析*P(P)< 0.05; **P(P)< 0.001; ***P(P)< 0.0005; ****P(P)< 0.00001. 未付款测试(针对OT-II CD4+T细胞组)***P(P)< 0.0001;P(P)< 0.00001. (J型)大约1010将MOG缺陷Ols、对照Ols、HEK EV或PBS(假手术)的Ol-EVs静脉注射到MOG中35–55-免疫C57BL/6小鼠。注射日期为图中红色箭头所示的注射日期(K(K))来自任一WT(MBP)的Ol-EV+/+)或MBP−/−将B10.PL Ols静脉注射到接种MBP的B10.PL-EAE小鼠体内交流(1-11)对照组小鼠注射HEK-EVs或PBS(假)。这些实验进行了两次,结果相似(n个=每个实验中每组5至7只小鼠)。符号表示日平均值±SEM。数据通过双向方差分析和Bonferroni的多重比较进行分析****P(P)< 0.00001.

为了进一步探讨Ol-EV对T细胞的影响,我们转移了标记为天然CD4的羧基荧光素二醋酸酯琥珀酰亚胺酯(CFSE)+MOG(2D2)或卵清蛋白(OVA)(OT-II)特异性T细胞转化为原始CD45.1+小鼠,2天后,我们注射Ol-EV/静脉注射。Ol-EV的作用是Ag特异性的,因为它诱导MOG-特异性CD4的激活和增殖,但不是OVA-特异性的CD4+T细胞,通过其干扰素-γ(IFN-γ)和IL-17A的产生来确定(图3,D和F)F类)和CFSE稀释(图3,G和H)。H(H)). 此外,Ol-EV在2D2上诱导程序性死亡-1(PD-1)表达,但在OT-II CD4上不诱导+T细胞(图3,E和I)。). 总的来说,这些数据表明,Ol-EV传递的髓鞘Ag呈现给CD4+体内T细胞。

为了确定Ol-EV/i.v.是否以髓磷脂Ag依赖的方式抑制EAE,我们将MOG-缺陷Ol-EV注射到患有EAE的C57BL/6小鼠中,而MBP-缺陷Ol-EV则注射到患有EA的B10.PL小鼠中。使用CRISPR-Cas9系统生成MOG缺乏的Ol-EV;Ols中的Ol-EV来源于用含有MOG-特异性单引导RNA(sgRNA)和Cre的慢病毒转导的Cas9-转基因小鼠,而对照Ol-EVs来源于用含扰物sgRNA和Cre慢病毒转染的Cas9转基因小鼠的Ols(图S5,AC类). 通过聚合酶链反应(PCR)和ELISA确认Ols和衍生EVs中的MOG基因敲除(图S5、DE类). MBP缺乏的Ol-EV是从寒战小鼠的Ols中产生的,即MBP−/−(25). 在这两种EAE模型中,髓磷脂缺乏的Ol-EV未能抑制疾病(图3,J和K),K(K)),证明Ol-EV/i.v.以依赖Ag的方式抑制EAE。

最后,为了测试Ol-EV在EAE中的抑制作用是否仅依赖于髓磷脂Ag,而不依赖于Ol-EVs中的其他成分,Ol-EVs是由Ols特异性产生的,我们设计HEK细胞表达小鼠MOG,并证实这些细胞的EV也包含MOG(图S6,AC类). 接下来,我们向患有EAE的C57BL/6小鼠注射HEK/MOG-EV或Ol-EV;两种治疗方法对疾病的抑制作用相似(图S6、DF类),证实了Ol-EVs的作用取决于其中存在的髓鞘Ag,而不取决于Ols特异性产生的其他成分。

Ol-EV/i.v.优先被单核细胞和中性粒细胞摄取

培养的Ols表达少量主要组织相容性复合体(MHC)II类分子(图S7). 这是非易燃条件下Ols的典型情况(26,27)消除了Ol-EV直接向CD4表达髓磷脂Ags的可能性+T细胞。我们假设静脉注射的Ol-EV被吞噬性抗原呈递细胞(APCs)摄取,APCs处理其蛋白并将其呈递给致脑炎T细胞H(H)细胞。

为了明确鉴定摄取Ol-EV/i.v.的细胞,我们通过用表达Cre的慢病毒转导OPCs,产生了含有Cre重组酶的Ol-EVs。Cre公司+Ol-EV静脉注射到幼稚Rosa26.stop中。注射后不同时间处死的Td-番茄报告小鼠(图S8,AB类). 绝大多数Td-番茄+细胞为脾细胞和吞噬血细胞,如单核细胞(43%)、中性粒细胞(28%)和DC亚群(26%),而B细胞只有4%,几乎没有CD3+T细胞为Td-番茄+(图S8、CD类). 无Td-番茄+在淋巴结(LNs)或中枢神经系统中发现细胞,表明Ol-EVs不能到达淋巴结或穿过完整的血脑屏障(BBB)。然而,当Cre+将Ol-EV注射到Rosa26.stop。患有EAE的Td-番茄小鼠,我们发现大量Td-蕃茄+CNS中的细胞,包括几乎所有单核细胞衍生的DC(moDCs;CD11b+CD11c公司+赖氨酸6c高的中央控制室2+赖氨酸6克)中性粒细胞(CD11b+CD11c公司赖氨酸6c+赖氨酸6克+),而只有一小部分小胶质细胞(CD45整数CD11b型+赖氨酸6c)是Td-番茄+(图4C). 无Td-番茄+在淋巴组织中发现细胞(CD4+,CD8+和CD19+)或在神经元、星形胶质细胞和Ols中。类似于幼稚的老鼠(图S8,AB类),绝大多数Td-番茄+脾细胞中的细胞为moDCs和中性粒细胞,少数B细胞为Td-番茄+(图4D). 这些数据表明,在患有EAE的小鼠中,摄取Ol-EV/i.v.的细胞主要是外周血、脾脏和CNS中的单核细胞/moDC、常规DC(cDC)和中性粒细胞。

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Ol-EV被单核细胞、中性粒细胞和cDC摄取,但后两者对于Ol-EVs抑制EAE是不可或缺的。

(A类B类)确定Td-番茄的浇口策略+CD11b型+中性粒细胞(Ly6g+赖氨酸6c+)和单核细胞(Ly6gLy6c型+)来自中枢神经系统和脾脏。这些实验做了两次,结果相似(n个=每组5只小鼠)。(C类D类)转基因C57BL/6 Rosa26.stop。MOG免疫Td-番茄小鼠35–55发病时静脉注射约10粒10含有Cre重组酶的Ol-EV或也含有Cre的HEK-EV。两天后,用流式细胞仪分析脾脏和CNS细胞。CD4代表性直方图+T细胞、B细胞(CD19+)、小胶质细胞(CD45低的赖氨酸6cCD11b型+),中性粒细胞(Ly6g+)和单核细胞(Ly6c+)在脾脏(C)和CNS(D)中表达Td-番茄。Td-番茄的分布+注射Cre的小鼠细胞+HEK-EV和Cre+Ol-EV(如图所示)类似。MFI,平均荧光强度。(E类)通过在发病时腹腔注射抗Ly6g抗体(克隆1A8,每只小鼠每次注射200μg),C57BL/6 EAE小鼠的中性粒细胞被耗尽(13和16 d.pi.)。对照小鼠注射同种对照抗体。静脉注射Ol-EV或HEK-EV,每次14、17和20天(红色箭头)。符号表示日平均值±SEM(F类)CD45.1型+用Zbtb46 iDTR或CD45.1照射和移植小鼠+骨髓和MOG免疫35–55.cDC耗尽(Zbtb46+MHCII公司+CD11c公司+)EAE发病后每三天腹腔注射DTX(20 ng/g)。静脉注射Ol-EV或HEK-EV,注射时间分别为13、15和18 d.p.i.(红色箭头)。符号表示日平均值±SEM。所有EAE实验至少进行了两次,结果相似(n个=每组5至7只小鼠)。EAE实验采用双向方差分析和Bonferroni多重比较进行分析****P(P)< 0.00001.

为了确定哪种吞噬细胞群介导Ol-EV对EAE的抑制,我们在对患有EAE的小鼠进行Ol-EV治疗期间用抗Ly6g抗体耗尽中性粒细胞(血液中中性粒细胞数量减少约75%;图S9,AB类). 中性粒细胞的耗竭本身对疾病进程没有影响(图4E),与疾病发作后中性粒细胞耗竭对EAE没有影响的研究结果一致(28). 中性粒细胞的耗竭并不影响Ol-EV对EAE的抑制(图4E)表明中性粒细胞不介导Ol-EV的作用。

接下来,我们研究了cDC(CD11c)的作用+MHCII公司+Zbtb46型+). 我们首先产生了辐射诱导的Zbtb46-DTR(CD45.2+)→CD45.1+限制白喉毒素(DTX)对cDC作用的骨髓嵌合体小鼠(29) (图S9,CD类)6周后,我们在这些小鼠中诱导了EAE。我们在发病后开始腹腔注射DTX,然后在EV治疗期间每隔一天注射一次,证实DTX治疗减少了脾脏cDC的数量(图S9、EF类). cDC的缺失对于Ol-EV抑制EAE也是必不可少的(图4F). 我们无法直接测试单核细胞的作用,因为单核细胞耗竭会阻碍EAE的发展(30). 总之,这些数据表明,单核细胞/moDC通过Ol-EV介导EAE抑制,因为在炎症CNS中,几乎所有这些细胞都获得Ol-EVs,并有能力在MHC II类环境中呈现髓鞘Ags。

Ol-EV/i.v.诱导免疫抑制单核细胞

鉴于我们的数据表明单核细胞/moDC在EAE中介导Ol-EV的作用,我们随后检查了它们的表型。罗莎26.stop。静脉注射Ol-EV及其脾脏和CNS Td-番茄+单核细胞被荧光激活细胞分选(FACS)分选(与图4,A和B),B类),并分析其mRNA。与对照组相比,Ol-EV治疗诱导了几个调节基因的上调:精氨酸酶1(精氨酸1),第1页,Il10号机组,干扰素调节因子1(红外1),甲型肝炎病毒细胞受体2(哈弗cr2)[也称为T细胞免疫球蛋白和粘蛋白结构域蛋白3(立方米)],以及信号转导子和转录激活子3(状态3),除其他外(图5A). 来自中枢神经系统(而非脾脏)的单核细胞也减少了一些促炎介质、趋化因子(C-C基序)配体2的表达(Ccl2公司),肿瘤坏死因子-α(天花),一氧化氮合酶(伊诺斯),IL-23α亚基(伊利23a)和IL-1β(伊尔1b) (图5A)在EAE发病机制中起重要作用(31). 我们通过相应蛋白质的免疫染色验证了其中一些发现。Ol-EV治疗的小鼠IL-10百分比较高+和PD-L1+脾脏和中枢神经系统中的单核细胞(图5,B和C,C类、和图S10,AB类)这些小鼠的脊髓中含有较多的Arg1+CD11b型+单元格(图S11,AB类). 他们也有较高比例的凋亡(caspase 3+和PD-1+)CD4细胞+脾脏和中枢神经系统中的T细胞(图5,DtoG(扭矩),G公司、和图S6、H). 我们发现免疫抑制单核细胞(PD-L1+中央控制室2+赖氨酸6c+)和凋亡T细胞(caspase 3+产品开发-1+CD4细胞+) (图5H)支持与单核细胞相互作用导致致脑T细胞凋亡并改善疾病的观点。我们还研究了Ol-EV/i.v.是否影响Foxp3的数量或频率+CD25型+T型法规与对照组相比没有发现差异(图S6、JK(K)),表明T法规在EAE中不介导Ol-EV的抑制作用。

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Ol-EVs诱导免疫抑制性moDC。

(A类)脾和CNS单核细胞(CD45+CD11b型+赖氨酸6c高的中央控制室2+赖氨酸6克Td-番茄+)从Rosa26.stop中分类。Cre后2天的Td-番茄EAE小鼠+HEK-EV或Cre+Ol-EV注射,用定量PCR(qPCR)进行基因表达分析。数值相对于Cre单核细胞进行标准化+HEK-EV处理的小鼠,如日志所示2。使用未配对分析数据测试;不显著(NS)*P(P)< 0.05; **P(P)< 0.001; ***P(P)< 0.0005; ****P(P)< 0.00001. (B类C类)脾脏和中枢神经系统IL-10的百分比(平均值±SEM)+和PD-L1+接受HEK-或Ol-EV的EAE小鼠单核细胞(n个=每组5只小鼠)。使用未配对分析数据测试****P(P)< 0.00001. (D类G公司)脾和CNS CD4中caspase 3和PD-1的流式细胞术分析(平均值±SEM)+EAE小鼠的T细胞注射三次HEK-或Ol-EV,从发病时开始。使用未配对分析数据测试**P(P)< 0.001; ***P(P)< 0.0005. 这些实验进行了两次,结果相似(n个=每组5只小鼠)。(H(H))矛兵的第页脾和CNS单核细胞(PD-L1)的相关性分析+中央控制室2+赖氨酸6c+)半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3+和PD-1+CD4 T细胞(n个= 10). ()C57BL/6 EAE小鼠在疾病高峰期移植2×106分类Td-番茄+用Ol-EV(红色)或HEK-EV(黑色)治疗的EAE小鼠的CNS中的moDC(红色箭头)。(J型)C57BL/6 EAE小鼠在第12天和第15天腹膜内注射阻断性抗PD-L1抗体(每只小鼠每次注射200μg;克隆10F.9G2)或同种型对照抗体。HEK-或Ol-EV在第13天、第16天和第19天静脉注射(红色箭头)。符号表示日平均值±SEM。所有EAE实验至少进行了两次,结果相似(n个=每组7只小鼠)。EAE实验在(I)中通过Mann-Whitney检验进行分析*P(P)< 0.01. In(J),采用双向方差分析和Bonferroni的多重比较*P(P)<0.01和****P(P)< 0.00001.

最后,为了在功能上验证Ol-EV诱导的moDC的免疫抑制表型,我们移植了中枢神经系统衍生的Td番茄+Cre治疗EAE小鼠的moDCs+Ol-EV进入患有持续疾病的小鼠(图5I). Td-番茄的单次转运+moDCs诱导病害快速恢复,而对照Td-番茄转移+Cre治疗小鼠的moDCs+HEK-EV没有改变疾病进程(图5I). 这些数据表明,在Ol-EV/i.v.治疗后,moDC获得免疫抑制表型,并通过导致致脑炎T细胞死亡来改善疾病。

Ol-EV/i.v.诱导的单核细胞PD-L1对EAE抑制至关重要

鉴于PD-1及其配体在免疫耐受中的重要性(3234),我们研究了Ol-EV是否通过PD-1/PD-L1相互作用抑制EAE。我们在发病后、Ol-EV注射前24小时静脉注射抗PD-L1抗体。在抗PD-L1治疗后,小鼠患上了一种严重的疾病,对Ol-EV/i.v.治疗没有反应(图5J). 相反,用抗体阻断PD-L2并不能阻止Ol-EV抑制EAE(图S11C). 为了在不使用抗PD-L1抗体的情况下确认PD-L1在Ol-EV作用中的重要性,我们移植了PD-1−/−或野生型(WT)CD4+T细胞进入RAG1−/−用MOG免疫小鼠35–55用于EAE诱导,并在发病后,静脉注射Ol-EV。小泡抑制WT CD4转染小鼠的EAE+T细胞,但不在使用PD-1转移的小鼠中−/−CD4细胞+T细胞(图S11D). 这些数据表明,PD-1与PD-L1的相互作用,而不是与PD-L2的相互作用对于Ol-EV在EAE中的治疗效果至关重要。

Ol-EVs以IL-10依赖的方式诱导PD-L1表达

Ol-EV/i.v.诱导脾和CNS单核细胞IL-10表达(图5和6),6),增加了IL-10通过诱导PD-L1表达等途径参与Ol-EV抑制EAE的可能性(6). 为了验证这一点,我们首先在缺乏IL-10受体β亚单位(IL-10Rβ)的小鼠中诱导EAE−/−)并在疾病发作时静脉注射Ol-EVs或HEK-EV。在缺乏IL-10Rβ的情况下,Ol-EV不能抑制EAE(图6,A和B),B类)以及从Ol-EV处理的IL-10Rβ的CNS中分离的白细胞数量−/−小鼠没有像WT小鼠那样减少(图6C). 接下来,为了确定Ol-EV治疗后哪个细胞群体产生IL-10并诱导单核细胞PD-L1表达,我们与WT或IL-10进行了不匹配共培养−/−CD4细胞+T细胞和APC(CD11b+CD11c公司+MHCII公司+CD19编号)来自MOG35–55-免疫小鼠并添加Ol-EV或HEK-EV。髓系APC中IL-10缺乏阻止Ol-EV对髓系细胞PD-L1的诱导(图6,D和G),G公司),而CD4缺乏IL-10+T细胞没有作用(图6,E和F)。F类). 这些数据表明,Ol-EVs诱导单核细胞/DCs产生IL-10,进而以自分泌方式诱导PD-L1表达。

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Ol-EV以IL-10依赖的方式诱导PD-L1。

(A类)WT和IL-10Rβ的临床病程−/−EAE小鼠注射三次(红色箭头)约1010Ol-EV或HEK-EV。EAE实验至少进行了两次,结果相似(n个=每组7只小鼠)。数据通过双向方差分析和Bonferroni的多重比较进行分析****P(P)< 0.00001. (B类)疾病严重程度的累计得分(平均值±SEM)。(C类)在免疫后第25天(p.i.)处死小鼠,CD45数量+通过流式细胞术和血细胞仪测定从CNS中获得的白细胞。数据表示为平均值±SEMn个=每个实验中每组7人。(D类G公司)APC和总CD4+从MOG的脾脏和淋巴结中分离出T细胞35–55-免疫WT和IL-10−/−小鼠在10 d.p.i.不匹配细胞共培养(WT APC+WT CD4+; WT-APC+白细胞介素-10−/−CD4;白介素-10−/−APC+WT CD4+; 白介素-10−/−APC+IL-10−/−CD4细胞+)用Ol-EVs、HEK-EVs或PBS治疗3天。流式细胞术分析单核细胞/树突状细胞(CD11b)中PD-L1的表达+MHCII公司+CD19编号赖氨酸6克)(D和F)和CD4中的PD-1+T细胞(E和G)。这些实验进行了两次,结果相似。数据表示为平均值±SEMn个=每个实验中每组5人。(B、C、F和G)*P(P)< 0.05; **P(P)< 0.01; ***P(P)< 0.0005; ****P(P)通过双向方差分析和Bonferroni的事后检验,<0.00001。

hOls释放含有髓磷脂Ags的EVs

使用Ol-EV/i.v.作为MS治疗的先决条件是人类Ols(hOls)释放含有多种髓鞘Ags的EVs。为了确定这种情况是否属实,我们将来自美国国立卫生研究院(NIH)批准的H9人类胚胎干细胞(ESCs)(Millipore)的OPC分化为成熟的hOl,并从培养上清液中获取EV。hOls释放了大量EV(1010每毫升颗粒数),平均直径为300 nm,由低温电子显微镜测定(图7A). 我们通过质谱分析了人类OPC(hOPC)衍生EV和hOl-EV的蛋白质组,发现它们的蛋白质组差异很大(图7,B和C)。C类). 与小鼠Ol-EV类似,hOl-EVs含有大量髓鞘蛋白,如MBP和MOG(图7D)而OPC衍生EV所含的这些蛋白质要少得多。这些数据表明,体外分化的hOls释放含有髓磷脂Ags的EV,因此在MS患者中的作用可能与小鼠Ol-EV在EAE中的作用相似。

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hOls释放包含多个髓磷脂蛋白的EV。

(A类)纯化hOl-EV的冷冻电镜研究;比例尺,200 nm。(B类)质谱数据的主成分分析显示OPC-EV和Ol-EV的相关性。(C类)热图显示OPC和Ol-EV中存在的蛋白质的表达量。(D类)通过ELISA测量HEK-、hOPC-和hOl-EV颗粒中髓鞘蛋白(MBP、MOG和PLP)的浓度(平均值±SEM)**P(P)< 0.001; ****P(P)通过Bonferroni事后检验的单向方差分析,<0.00001。

讨论

目前对MS的治疗以非特异性银靶向免疫系统,由于全身免疫抑制,可能产生严重的副作用(4). 多发性硬化症研究的一个长期目标是设计一种Ag特异性治疗,只抑制有害的免疫反应,同时保持免疫系统的其余部分完好无损。Ag特异性治疗的前提是识别靶Ag。MS中的自身免疫反应被认为是靶向Ol-producted髓鞘蛋白,如MOG、MBP和PLP(35). 人们还认为,MS患者中相关的髓鞘Ag不一定相同,随着时间的推移,自身免疫反应的特异性可以从最初的髓鞘Ag表位转移到另一个表位或Ag(35). 这种称为“表位扩散”的致病反应Ag特异性进化概念也表明,针对额外髓磷脂Ag的新反应有助于疾病爆发和慢性(24). 总的来说,MS中相关Ag(s)的身份仍然未知,患者之间以及随着时间的推移可能存在异质性。尽管在实验动物模型中取得了成功,但由于缺乏对Ags的了解,阻碍了Ag特异性MS疗法的发展。一些在动物身上测试的治疗方法解决了抗原复杂性的问题,但需要了解导致疾病的抗原(4). 根据EAE的研究结果,提出了几种诱导MS Ag特异性耐受的方法(4). 其中一种方法是通过静脉注射游离的致脑炎肽,或通过与纳米颗粒或凋亡细胞偶联的肽来诱导耐受(510). 静脉耐受通过诱导耐受性APC抑制EAE,减少致病性TH(H)1和TH(H)17个细胞反应(11,36),并诱导T法规和Tr1细胞(37). 我们最近发现,在持续的EAE中诱导静脉耐受依赖于IL-27(11)和半乳糖凝集素1(36).

测试皮下注射改变的MBP肽效果的临床试验表明,这种方法可能会使一些MS患者的病情恶化(38). 在MS患者中的一项试验表明,静脉输注免疫显性MBP肽(每6个月500毫克,连续24个月)(n个=32)渐进式MS是安全的(39). 24个月时,该治疗仅对患者有效(n个=20)人类白细胞抗原(HLA)单倍型DR2和/或DR4。这些应答患者的长期随访显示,与安慰剂治疗的18个月相比,进展的中位时间为78个月。在另一项试验中,单次静脉输注自体白细胞与七种免疫显性髓鞘肽共价结合也是安全的(9). 这些试验的结果表明,静脉注射髓鞘糖原对MS患者是安全和有益的。根据实验动物的研究结果,人们认为以颗粒形式(细胞、纳米粒子)输注髓鞘Ags(也适用于Ol-EV)比输注可溶性Ags更安全(40).

电动汽车领域在过去十年中发展迅速(20). EV是几乎所有细胞分泌的蛋白样膜包裹颗粒(15,16)这在生理和病理条件下的细胞间通讯中起着重要作用。一些研究报告称,存在来自CNS常驻细胞的EV,如脑脊液中的小胶质细胞,在MS和EAE等炎症状态下其数量增加(41,42). Ols也释放EV,但关于Ol-EV在维持体内平衡或疾病期间的作用,人们知之甚少。

由于EV生物学取得了实质性进展,目前正在研究EV作为几种疾病的治疗方法(20). 多项研究使用EV治疗实验性自身免疫性疾病(1719),报告了它们通过靶向小胶质细胞/巨噬细胞、诱导耐受性DC和诱导T法规(1820). 我们发现,体外培养的Ols释放EV,包括外泌体和微泡,包含大多数相关的髓鞘蛋白。在大多数将电动汽车描述为药物传递工具的报告中,只使用了exosome(18),因为某些治疗优势(17,43). 研究表明,由于髓鞘蛋白不同的分选机制,导致不同类别的Ol-EV(44),PLP在外泌体中富集,而MBP和MOG主要存在于膜源性微泡中(45). 我们使用了总的Ol-EVs、外泌体和微泡,在几种EAE模型中,它们的给药以Ag依赖的方式抑制了神经炎症,具有预防和治疗作用。该治疗没有明显的不良反应,并且比输注游离肽更安全。输入的Ol-EV优先被吞噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和cDC摄取,但只有单核细胞被证明是Ol-EV-诱导耐受所必需的。摄取Ol-EV的单核细胞上调了几种抗炎分子的表达,如PD-L1和IL-10,它们介导疾病抑制。最后,我们发现hOls也释放含有髓磷脂蛋白的EV。

携带多个髓鞘抗原的Ol-EV可减少对多个髓磷脂抗原/表位的致脑炎性T细胞反应,并抑制几种EAE模型中的神经炎症。据报道,使用合成的多表位Ags(几个髓鞘表位结合成单个人工蛋白质)比单独的肽更有效地抑制EAE(23,46). Ol-EV的作用具有银依赖性和特异性。Ol-EV作用的延迟可能归因于处理和呈现来自囊泡的全长MOG蛋白的肽所需的时间,而呈现注射的MOG35–55速度更快。可能,与加工MOG蛋白产生的肽相比,注射的游离肽数量要大得多,这也促进了对游离肽的快速反应。使用MOG-和MBP-特异性TCR转基因小鼠表明,Ol-EV通过其携带的髓鞘银诱导自身反应性T细胞凋亡和无能。此外,我们还表明,缺乏MOG或MBP的Ol-EV无法抑制MOG35–55-诱导或MBP交流(111)-诱发EAE。

EV大小和蛋白质含量的异质性是影响受体细胞摄取EV的变量,可能通过多种途径发生(16). 众所周知,纳米粒子被清道夫受体依赖机制内吞(7); 然而,尽管电动汽车摄入的具体情况尚未完全阐明(15)据描述,吞噬细胞,例如单核细胞/moDC、DC、巨噬细胞和小胶质细胞,可以通过受体介导的内吞作用、吞噬作用和微接种作用内化EV(47).

MoDC在EAE中的作用已被广泛描述(32). moDCs通常不存在于健康的中枢神经系统中,但在炎症过程中,它们会渗入脑膜和实质,并通过增强Ag处理和呈现的能力而促进中枢神经系统的病理变化。与几项描述脾吞噬细胞“捕获银”在EAE中恢复免疫耐受性的重要性的研究相反(7)我们的数据表明,渗入中枢神经系统的moDC获得Ol-EV并介导EAE抑制。将用Ol-EV治疗的EAE小鼠的CNS-衍生moDCs转移到患有持续疾病的小鼠中,可以快速抑制EAE炎症。

我们发现,用Ol-EV/i.v.治疗EAE小鼠后,CD4上PD-1上调+T细胞和PD-L1和PD-L2在moDCs上的上调。鉴于PD-1及其配体在免疫耐受中的重要性(48),我们研究了Ol-EV是否通过PD-1/PD-L1和/或PD-1/PD-L2相互作用抑制EAE。用抗体阻断PD-L1可消除Ol-EV对EAE的抑制,而阻断PD-L2则无作用。这表明T细胞上的PD-1和moDCs上的PD-L1相互作用导致脑源性T细胞的无能和凋亡以及疾病的改善,这与PD-L1在EAE静脉耐受诱导中的作用相一致(6).

IL-10是一种抗炎细胞因子,具有重要的免疫调节作用,抑制炎症反应和自身免疫,包括EAE(6). 研究表明,EAE中的肽/静脉耐受诱导需要IL-10。研究表明,在EAE中通过不同方式诱导IL-10和促进免疫耐受的可能性(6,7)阻断IL-10可消除耐受性(6). 我们证明Ol-EV抑制EAE也需要APC产生IL-10,但CD4不需要+T细胞。显然,IL-10在moDCs上的PD-L1表达受到诱导,疾病受到抑制。

建立和维持外周耐受性的重要机制依赖于T雷格斯因此,我们探讨了Ol-EV/i.v.是否影响T法规但在CD4中未发现其总数或频率的变化+T细胞。这表明Ol-EV/i.v.通过T抑制EAE规则-独立机制,以及髓磷脂特异性CD4之间的直接相互作用+T细胞和耐受性moDCs导致T细胞凋亡和无能。然而,尽管moDCs的耐受性表型可以独立于T法规,仍有可能T法规有助于它的归纳,而不是自身的扩展。适度的T规则在一个类似于我们的系统中,已经报道了在EAE中诱导银特异性静脉耐受的作用,但使用了髓鞘银与微球(7). 这些报告结果支持我们的观点,即雷格斯可能会为Ol-EV抑制EAE提供一些帮助,但可能不是必不可少的。

我们的研究证明了Ol-EVs/i.v.可以抑制由致脑肽免疫诱导的持续性自身免疫性神经炎。这些肽可引发非致病性抗肽抗体。这些抗体良性的主要原因是它们无法与完整的髓鞘蛋白结合,因为蛋白质和游离肽内的表位序列之间存在空间阻碍或构象差异。一部分MS患者的脑损伤中有明显的抗体和补体沉积,表明存在致病性抗髓磷脂抗体(49). 这种可能识别完整髓鞘蛋白的抗体可以迅速调理静脉注射的Ol-EV并促进其清除,可能会阻止治疗效果。这种可能性可以在带有致病性抗体成分的EAE模型中进行测试,例如在人类MOG中1–125-C57BL/6小鼠诱发EAE(48). 在EAE的更晚期阶段,如慢性期和复发期,有必要对Ol-EVs/i.v.进行额外的检测,随访时间比当前研究更长。当Ol-EVs/i.v.治疗开始时,这种测试将更接近大多数MS患者的疾病阶段。此外,这将提供关于Ol-EVs/i.v.长期影响的信息,并可能表明需要额外的Ol-EVs/i.v.治疗,如果需要,还将说明这些额外治疗的影响。因此,需要进行大量关于Ol-EVs/i.v.治疗方面的临床前研究,以评估这种方法治疗MS的潜力。

总之,鉴于Ol-EV含有大多数或可能全部相关的髓鞘Ag,它们有可能诱导Ag特异性耐受,并抑制由髓鞘Ags免疫反应驱动的疾病。因此,Ol-EV的使用将避免在每个患者中识别相关髓鞘Ag的需要,从而提高了Ol-EV/i.v.可能是一种普遍适用的Ag特异性MS治疗方法的可能性。

材料和方法

研究设计

本研究基于Ol-EV含有髓鞘Ags的理论基础,以及向EAE小鼠静脉注射Ol-EVs将抑制髓鞘Ag特异性免疫反应并改善疾病的原理,研究了Ol-EVs在几种小鼠EAE模型中的作用。大约1010从实验开始或小鼠出现临床疾病症状后,将Ol-EV静脉注射到免疫小鼠体内,每次注射三次,间隔三天。每天和实验结束时,对小鼠的临床疾病严重程度进行评分;对他们的中枢神经系统进行炎症、脱髓鞘和轴突丢失分析。此外,还进行了许多其他实验,以阐明Ol-EV抑制EAE的机制。在每次重复的实验中,每个治疗组由五只或更多的小鼠组成。用盲法给老鼠打分。每个实验重复两次或更多次。主要数据以数据形式报告文件S1.

统计分析

使用GraphPad Prism 8软件进行统计分析。统计评估表示为平均值±SEM(视情况而定)。学生的在适当的时候进行检验、Bonferroni的事后检验的单因素方差分析(ANOVA)和Bonferroni的事后检验的双向ANOVA。统计显著性排名*P(P)< 0.05; **P(P)< 0.001; ***P(P)< 0.0005; ****P(P)< 0.00001.

补充材料

补充材料

图S1。Ol和Ol-EV特征。

图S2。Ol-EV/i.v.可阻止EAE过继小鼠的EAE进展。

图S3。在EAE中,Ol-EV保护小鼠免受中枢神经系统组织损伤。

图S4。Ol-EV治疗诱导脾脏2D2 CD4 caspase 3表达+T细胞。

图S5。奥尔良MOG淘汰。

图S6。Ol-EV对EAE的治疗效果依赖于髓鞘银。

图S7。文化中的Ols很少表达MHC II类。

图S8。注入幼稚Rosa26.stop的Ol-EVs/i.v.的细胞分布。Td-番茄报告鼠。

图S9。赖氨酸6克+和Zbtb46+细胞耗竭。

图S10。Ol-EV治疗诱导单核细胞中IL-10和PD-L1的表达。

图S11:。Ol-EV抑制EAE不需要PD-L2。

表S1。sgRNA寡核苷酸序列和检测引物。

表S2。EAE免疫方案。

数据文件S1。原始数据(作为单独的Excel文件提供)。

数据文件S2。质粒序列(作为单独的Word文件提供)。

单击此处查看。(2.9M,pdf)

鸣谢:

我们感谢K.Regan编辑了这份手稿。基金:这项工作得到了NIH(5R01AI106026和R01A1124386)向A.R.提供的资助。

脚注

竞争利益:G.C.、A.R.、B.C.和G.-X.Z是托马斯·杰斐逊大学提交的专利申请(62/857182和62/953257)的发明人,该专利申请涵盖了使用少突胶质细胞衍生的细胞外囊泡治疗多发性硬化症。

数据和材料可用性:与本研究相关的所有数据均出现在论文或补充资料.与人体质谱分析相关的数据已存入MassIVE和ProteomeXchange数据存储库,其登录号为MSV000085434(网址://massive.ucsd.edu/MSV000085434/)和PXD019246(http://proteomecentral.proteomexchange.org/cgi/GetDataset?ID=PXD019246)分别是。

补充材料

stm.sciencemag.org/cgi/content/full/12/568/eaba0599/DC1

材料和方法

参考文献(50,51)

从查看/请求本文的协议生物蛋白.

参考文件和注释

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