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T cell-mediated immunity to influenza virus and SARS-CoV-2: effect of host adaptation and aging

Respiratory viruses pose a major global health threat and economic burden. In the 20th century, all four pandemics were caused by influenza viruses (IV), which then continued to circulate seasonally in the human population until they were replaced by a newer variant. Although we are still early in the 21st century, the world has already faced two pandemics. The first pandemic in 2009 was caused by a newly reassorted IV (pdmH1N109). The pandemic still going on in 2022 was caused by the novel human Coronavirus SARS-CoV-2. Deep knowledge of immune responses, especially with respect to disease severity and vaccination, is important to contain viral spread and protect vulnerable groups, such as the elderly, immunocompromised, and pregnant women. Furthermore, possible immune escape not only from antibodies but also from T cells has to be studied more deeply, to gain a better understanding of (long-term) immune responses.

One part of this PhD thesis analyzed immune responses to SARS-CoV-2, especially with focus on T cells and immunosenescence connected to aging. Here, PBMCs isolated from the blood of volunteering blood donors were used to check for differences in immune responses in young and old adults in vitro. It was found that there is a clear reduction of SARS-CoV-2 specific neutralizing antibodies as well as in specific T cell responses in correlation with the increasing age of vaccinated individuals. Additionally, a reduced amount of naïve T cells, as well as an increase in senescent CD8+ T cells, could be linked to weaker specific T cell responses in older vaccinees. These findings were not visible in SARS-CoV-2 exposed subjects. At last, PBMCs isolated from blood donors before the start of the SARS-CoV-2 pandemic in late 2019 were screened for possible cross-reactive activity of pre-existing immunity against seasonally circulating hCoV in regard to SARS-CoV-2, with a special focus on differences arising with age. Here, a general lower T cell immune response against hCoVs could be found in older adults compared to young adults. Additionally, older adults showed fewer cross-reactive T cells against SARS-CoV-2 S, M and N proteins than younger adults. All this suggests an impaired immune response in older adults, especially after vaccination, that can lead to more severe disease outcomes after SARS-CoV-2 infection.

In the second part of this thesis, the possible immune escape from influenza virus M158-66 epitope-specific CD8+ T cells (CTL) was analyzed. This was done with focus on an avian and a human M1 signature which differ in extra-epitopic regions. Those regions have been linked to a possible immune escape from epitope-specific CTL before. For this, passaging of viruses expressing either the avian or human M1 on A549/tg-A2 cells in presence of epitope-specific CTL was established. Here, a more substantial effect of the M158-66 specific CD8+ T cells on the virus with the avian signature could be found. After finding optimal passaging conditions, the viruses were passaged. The supernatants were processed, and the samples were then sent to the Hannover Medical School for Next Generation Sequencing. Analysis with Geneious Prime showed a higher proportion of mutations from the avian signature to the human signature than vice versa. Interestingly, these mutations were independent of the presence of the M158-66 specific CD8+ T cells, indicating an adaption from birds to mammals, rather than solely immune evasion from epitope-specific T cells.

This thesis highlights the impairment of immune responses due to aging, especially in the context of vaccination, and the need for a better understanding of the mechanisms behind immunosenescence, to be able to produce vaccines that give better protection to older adults. Furthermore, it has shown that the emergence of extra-epitopic amino acid variations surrounding the M158-66 IV epitope is not solely linked to immune pressure, but might also be connected to adaption to a different host species, underlining that mechanisms behind viral evasion from T cells need further studies to be fully understood.

Respiratorische Viren stellen weltweit eine große gesundheitliche Bedrohung und wirtschaftliche Belastung dar. Im 20. Jahrhundert wurden alle vier Pandemien durch Influenzaviren (IV) verursacht, die dann saisonal in der menschlichen Bevölkerung weiter zirkulierten, bis sie durch eine neuere Variante ersetzt wurden. Obwohl wir uns noch am Anfang des 21. Jahrhunderts befinden, hat die Welt bereits zwei Pandemien erlebt. Die erste Pandemie im Jahr 2009 wurde durch ein neu reassortiertes IV (pdmH1N109) ausgelöst. Die im Jahr 2022 noch andauernde Pandemie wurde durch das neuartige humane Coronavirus SARS-CoV-2 verursacht. Um die Ausbreitung der Viren einzudämmen und gefährdete Gruppen wie ältere Menschen, immungeschwächte Personen und Schwangere zu schützen, ist eine genaue Kenntnis der Immunreaktionen, insbesondere in Bezug auf die Schwere der Erkrankung und die Impfung, wichtig. Darüber hinaus muss eine mögliche Umgehung der Immunantwort nicht nur von Antikörpern, sondern auch von T-Zellen, eingehender untersucht werden, um ein besseres Verständnis der (langfristigen) Immunreaktionen zu gewinnen.

Ein Teil dieser Doktorarbeit untersuchte die Immunantwort auf SARS-CoV-2, insbesondere mit Fokus auf T-Zellen und altersbedingte Immunoseneszenz. Dazu wurden aus dem Blut von freiwilligen Blutspendern isolierte PBMCs verwendet, um in vitro Unterschiede in den Immunantworten von jungen und alten Erwachsenen zu untersuchen. Es zeigte sich, dass mit zunehmendem Alter der geimpften Personen eine deutliche Abnahme der SARS-CoV-2-spezifischen neutralisierenden Antikörper sowie der spezifischen T-Zell-Reaktionen zu beobachten ist. Darüber hinaus konnten eine geringere Anzahl naiver T-Zellen sowie eine Zunahme seneszenter CD8+ T-Zellen mit einer schwächeren spezifischen T-Zell-Antwort bei älteren Geimpften in Verbindung gebracht werden. Diese Befunde waren bei SARS-CoV-2-ausgesetzen Personen nicht zu beobachten. Schließlich wurden PBMCs, die vor dem Beginn der SARS-CoV-2-Pandemie Ende 2019 von Blutspendern isoliert worden waren, auf eine mögliche kreuzreaktive Aktivität der bereits bestehenden Immunität gegen saisonal zirkulierende hCoVs in Bezug auf SARS-CoV-2 untersucht, mit besonderem Augenmerk auf altersbedingte Unterschiede. Dabei wurde bei älteren Erwachsenen im Vergleich zu jungen Erwachsenen eine allgemein geringere T-Zell-Immunantwort gegen hCoVs festgestellt. Außerdem zeigten ältere Erwachsene weniger kreuzreaktive T-Zellen gegen SARS-CoV-2 S-, M- und N-Proteine als jüngere Erwachsene. All dies deutet auf eine beeinträchtigte Immunantwort bei älteren Erwachsenen hin, insbesondere nach einer Impfung, was zu einem schwereren Krankheitsverlauf nach einer SARS-CoV-2-Infektion führen kann.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die mögliche Umgehung der Erkennung von IV durch M158-66 Epitop-spezifische CD8+ T-Zellen (CTL) analysiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf einer aviären und einer menschlichen M1-Signatur, die sich in extra-epitopischen Regionen unterscheiden. Diese Regionen wurden schon früher mit einer möglichen Umgehung von Epitop-spezifischen CTL in Verbindung gebracht. Zu diesem Zweck wurden Viren, die entweder das aviäre oder das humane M1 exprimieren, auf A549/tg A2-Zellen in Gegenwart Epitop-spezifischer CTL passagiert. Hier konnte eine stärkere Wirkung der M158-66 spezifischen CD8+ T-Zellen auf das Virus mit der aviären Signatur festgestellt werden. Nachdem die optimalen Passagebedingungen gefunden waren, wurden die Viren passagiert. Die Überstände wurden aufbereitet und die Proben an die Medizinische Hochschule Hannover für Next Generation Sequencing geschickt. Die Analyse mit Geneious Prime zeigte einen höheren Anteil an Mutationen von der aviären Signatur zur humanen Signatur als andersherum. Interessanterweise waren diese Mutationen unabhängig vom Vorhandensein der M158-66-spezifischen CD8+ T-Zellen, was auf eine Anpassung von Vögeln an Säugetiere hindeutet, und nicht nur auf eine Immunevasion durch Epitop-spezifische T-Zellen.

Diese Arbeit unterstreicht die altersbedingte Beeinträchtigung der Immunantwort, insbesondere im Zusammenhang mit Impfungen, und die Notwendigkeit eines besseren Verständnisses der Mechanismen, die der Immunoseneszenz zugrunde liegen, damit Impfstoffe hergestellt werden können, die einen besseren Schutz für ältere Erwachsene bieten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Auftreten von extra-epitopischen Aminosäurevariationen rund um das Epitop M158-66 von IV nicht nur mit dem Immundruck zusammenhängt, sondern auch mit der Anpassung an eine andere Wirtsspezies, was unterstreicht, dass die Mechanismen, die der Umgehung der Erkennung des Virus durch spezifische T-Zellen zugrunde liegen, noch weiter erforscht werden müssen.

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