Quantitative, phänotypische und funktionelle Charakterisierung der zellulären Immunität bei Kindern mit Down-Syndrom

Abstract

Down Syndrom bei Trisomie 21 ist sowohl mit einer vermehrten Infektionsanfälligkeit als auch mit einer erhöhten Inzidenz Organ-spezifischer Autoimmunerkrankungen assoziiert. Neben anatomischen Besonderheiten wurden bereits Veränderungen in den Komponenten der angeborenen und adaptiven Immunantwort identifiziert, die mit einer erhöhten Infektanfälligkeit einhergehen. Während eine eingeschränkte Funktionalität der B-Zellimmunität und der humoralen Immunantwort bereits gut dokumentiert ist, ist die T-Zellimmunität und deren Funktionalität bei Kindern mit Down-Syndrom erst unzureichend charakterisiert. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zelluläre Immunantwort im Hinblick auf die phänotypischen und funktionellen Eigenschaften sowie die Erreger-spezifische humorale und zelluläre Immunität von Kindern mit Down-Syndrom im Vergleich zu immungesunden Kindern zu untersuchen. Hierfür wurden 40 Kinder mit Down-Syndrom und 51 immungesunde Kinder gleichen Alters rekrutiert. Zunächst erfolgte die quantitative Analyse der Leukozyten- und Lymphozytensubpopulationen mittels Durchflusszytometrie. Neben der Analyse der B-Zellen und natürlichen Killer-Zellen (NK-Zellen) lag ein besonderer Schwerpunkt auf der Quantifizierung von T-Zell- und T-Helfer-Subpopulationen. Zudem wurde eine phänotypische und funktionelle Multiparameteranalyse der Effektor T-Zellfunktion nach polyklonaler Stimulation mit Staphylococcus aureus Enterotoxin B (SEB) sowie Antigen-spezifischer Stimulation mit Erregerantigenen (Varizella zoster Virus (VZV), Cytomegalievirus (CMV) und M. tuberculosis (Tuberkulin)) durchgeführt. Abschließend wurde die humorale Immunantwort auf die viralen Erreger evaluiert und mit den entsprechenden Daten der zellulären Immunantwort korreliert. Bei Kindern mit Down-Syndrom war der Anteil an NK-Zellen innerhalb der Lymphozyten deutlich erhöht, der B-Zell-Anteil dagegen signifikant erniedrigt. Während der Gesamtanteil der T-Zellen keine Unterschiede zu immungesunden Kindern zeigte, waren bei Kindern mit Down-Syndrom interessanterweise prozentual weniger CD4+ und mehr CD4+CD8+ T-Zellen vorhanden. Innerhalb der CD4+ T-Zellen waren ein erhöhter Anteil regulatorischer und TH17-Zellen sowie eine erhöhte TH1/TH2 Ratio messbar. Ein genereller Einfluss von Thymektomie auf die T-Zell-Population ließ sich sowohl bei Kindern mit Down-Syndrom als auch bei Kontrollen nachweisen, während die meisten anderen Unterschiede unabhängig von der Thymektomie zu beobachten waren. Innerhalb der Lymphozytensubpopulationen wurden die Unterschiede bei Kindern mit Down-Syndrom bei den regulatorischen T-Zellen und TH2-Zellen durch Thymektomie noch zusätzlich verstärkt. Als Hinweis auf eine funktionelle Einschränkung wiesen Gesamt-T-Zellen und deren Subpopulationen bei Kindern mit Down-Syndrom eine erhöhte Expression der Anergiemarker PD-1 und CTLA-4 auf. Dennoch zeigte die funktionelle Analyse nach polyklonaler Stimulation lediglich ein leicht verändertes Expressionsprofil der Zytokine IFN-γ, TNFα und IL-2. Dementsprechend zeigten diese Zytokin-produzierenden Effektor CD4+ T-Zellen hinsichtlich der Expression der Anergiemarker keine Unterschiede zu Kontrollkindern. Interessanterweise war jedoch die Frequenz dieser Zytokin-produzierenden Effektor CD4+ T-Zellen nach polyklonaler Stimulation signifikant erhöht. Bei Analyse der Pathogen-spezifischen Immunantwort zeigten beide Gruppen eine altersgerechte Durchseuchung mit CMV, VZV und Mykobakterien. Unterschiede bezüglich der Antigen-spezifisch gemessenen Frequenzen reaktiver Zellen konnten nicht festgestellt werden. Alle Kinder mit CMV-spezifischer humoraler Immunität wiesen eine zelluläre Immunität gegen CMV auf. Unter den VZV-IgG positiven Kindern war hingegen der Anteil an detektierbaren VZV-spezifischen T-Zellen bei Kindern mit Down-Syndrom höher als bei den Kontrollkindern. Zusammenfassend zeigen Kinder mit Down Syndrom neben einer generellen verhältnismäßigen Verschiebung von Leukozyten- und Lymphozytensubpopulationen eine erhöhte Expression der Anergiemarker auf den Haupt-T-Zellpopulationen. Neben diesen Anzeichen für eine verminderte Funktionalität auf T-Zellen im Allgemeinen zeigen Effektor T-Zellen von Kindern mit Down-Syndrom ähnliche phänotypischen Eigenschaften und Funktionalität wie die der Kontrollgruppe. Allerdings scheinen Kinder mit Down-Syndrom höhere Effektor T-Zell Frequenzen zu benötigen, um eine Pathogenkontrolle sicherstellen zu können.

Down syndrome in individuals with Trisomy 21 is associated with an increased susceptibility towards infections as well as with a higher incidence of organ specific autoimmune diseases. Beside abnormalities in anatomical structures, alterations in the components of the innate and adaptive immunity have been identified that lead to an increased susceptibility towards infections. While alterations in B-cell functionality and humoral immune responses are well documented, knowledge on T-cell immuniy and functionality of T-cells in children with Down syndrome is still limited. Therefore, the aim of this study was the investigation of the adaptive immune response including pathogen-specific humoral immunity as well as phenotypical and functional features of the cellular immunity of children with Down syndrome in comparison to immunocompetent control children. 40 children with Down syndrome and 51 immunocompetent age-matched controls were recruited. Lymphocytes, T-cell- and T-helper-cell subpopulations were quantitatively analysed from whole blood using flow cytometry. In addition, a multiparameter analysis of effector T-cells was performed after polyclonal stimulation with staphylococcal enterotoxin (SEB) and after antigen-specific stimulation using antigens of varicella zoster virus (VZV), cytomegalovirus (CMV) and M.tuberculosis (tuberculin). Finally the humoral immune response against the viral antigens was evaluated and correlated with the corresponding data of the cellular immune response. The proportion of NK-cells within the lymphocytes of children with Down syndrome was significantly increased whereas the percentage of B-cells was decreased. While the total percentage of T-cells showed no differences, children with Down syndrome exhibited lower percentages of CD4+ T cells and higher percentages of CD4+CD8+ T-cells. Within the CD4+ T-cell population, a higher percentage of regulatory and TH17-cells and a higher TH1/TH2 ratio was detected. Partial or complete resection of the thymus had a general impact on the T-cell population of both children with Down syndrome and controls, whereas most differences observed between the groups were independent of thymectomy. Interestingly among individuals with Down syndrome, thymectomy had a further increasing effect on regulatory T-cells and Th2-cells. Bulk T-cell subpopulations such as CD4+ T-cell, CD8+ T-cell, and regulatory T cells showed a higher expression of the anergy markers PD-1 and CTLA-4 suggesting an impaired functionality of these cells. Interestingly, however, the expression profile of the cytokines IFN-γ, TNFα and IL-2 in polyclonally activated effector T cells was only marginally altered. In addition, unlike on bulk T cells, the expression of anergy markers on effector T-cells of children with Down syndrome did not show any differences to controls. Of note, however, the percentage of polyclonally stimulated effector T-cells was significantly higher in children with Down syndrome. Analysis of pathogen-specific immune responses showed an age-appropriate extent of endemic infections with CMV, VZV and mycobacteria in both groups. CMV-specific cellular and humoral immunity correlated in all children. Among VZV IgG positive children, a higher percentage of VZV-specific T-cell-positive individuals was seen in the Down syndrome group. In conclusion, besides a general proportional shift of leukocyte and lymphocyte subpopulations, bulk T-cells in children with Down syndrome show an increased expression of anergy markers on major T-cell populations. Despite these signs of functional impairment on T-cells in general, effector T-cells of children with Down syndrome show similar phenotype and functionality as controls. However children with Down syndrome may require higher effector T-cell frequencies to ensure pathogen control.