Impact of high glucose on functions of cytotoxic T lymphocytes

Abstract

Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) are major players to eliminate aberrant cells such as tumor cells and infected cells. To kill their target cells, CTLs employ in most cases two mechanisms: cytotoxic protein containing lytic granules (LG) and Fas/FasL pathway. High levels of blood glucose, also termed hyperglycemia, is a typical symptom of diabetes mellitus. Although it is known that CTLs are involved in development of diabetes, to date, however, the functional impact of high glucose on CTLs and the corresponding mechanisms remain largely elusive. To address this question, primary human CD8+ T cells were used, which were stimulated by CD3/CD28 beads and cultured in medium containing either high glucose (HG, 25 mM) or normal glucose (NG, 5.6 mM). I found that expression of cytotoxic proteins including perforin, granzyme A, granzyme B and FasL and LGs release remained unchanged in HG-cultured CTLs. Interestingly, TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) was upregulated in CTLs by HG. With flow cytometry and inhibitors, I have identified that ROS and the PI3K-Akt-NFκB axis play an important role in the HG-induced TRAIL expression. In addition, TRAIL expressing CTLs can induce apoptosis of insulin-producing beta cells, which is significantly higher in the case of HG-CTLs compared to their counterparts cultured in NG. Further investigation shows that both metformin and vitamin D can reduce HG-enhanced expression of TRAIL in CTLs and coherently protect beta cells from TRAIL-mediated apoptosis by HG-cultured CTLs. This effect of metformin and vitamin D on down-regulation of TRAIL is also confirmed in CTLs isolated from patients with diabetes. Thus, this work reveals an antigen-independent pathway regulated by HG to modulate CTL killing efficiency, suggesting a novel mechanism of CTL involvement in progression of diabetes and proposing a combination of metformin and vitamin D as a potentially promising strategy to protect beta cells of diabetic patients.

Zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs) spielen eine wichtige Rolle bei der Eliminierung abweichender Zellen wie Tumorzellen und infizierter Zellen. Um ihre Zielzellen abzutöten, wenden CTLs in den meisten Fällen zwei Mechanismen an: zytotoxisches Protein, das lytische Granula (LG) enthält, und den Fas/FasL-Weg. Hohe Blutzuckerwerte, auch Hyperglykämie genannt, sind ein typisches Symptom von Diabetes mellitus. Obwohl bekannt ist, dass CTLs an der Entwicklung von Diabetes beteiligt sind, bleiben die funktionellen Auswirkungen hoher Glukose auf CTLs und die entsprechenden Mechanismen bis heute weitgehend unklar. Um diese Frage zu beantworten, wurden primäre menschliche CD8+ T-Zellen verwendet, die durch CD3/CD28-Kügelchen stimuliert und in Medium kultiviert wurden, das entweder hohe Glukose (HG, 25 mM) oder normale Glukose (NG, 5,6 mM) enthielt. Ich fand heraus, dass die Expression von zytotoxischen Proteinen, einschließlich Perforin, Granzym A, Granzym B und FasL und LGs-Freisetzung, in HG-kultivierten CTLs unverändert blieb. Interessanterweise wurde TNF-verwandter Apoptose-induzierender Ligand (TRAIL) in CTLs durch HG hochreguliert. Mit Durchflusszytometrie und Inhibitoren habe ich identifiziert, dass ROS und die PI3K-Akt-NFκB-Achse eine wichtige Rolle bei der HGinduzierten TRAIL-Expression spielen. Darüber hinaus können TRAIL-exprimierende CTLs die Apoptose insulinproduzierender Betazellen induzieren, die im Fall von HGCTLs signifikant höher ist als bei ihren in NG kultivierten Gegenstücken. Weitere Untersuchungen zeigen, dass sowohl Metformin als auch Vitamin D die HG-verstärkte Expression von TRAIL in CTLs reduzieren und Betazellen kohärent vor TRAIL vermittelter Apoptose durch HG-kultivierte CTLs schützen können. Diese Wirkung von Metformin und Vitamin D auf die Herunterregulierung von TRAIL wird auch in CTLs bestätigt, die aus Patienten mit Diabetes isoliert wurden. Somit enthüllt diese Arbeit einen Antigen-unabhängigen Weg, der durch HG reguliert wird, um die CTLAbtötungseffizienz zu modulieren, was auf einen neuen Mechanismus der CTLBeteiligung am Fortschreiten von Diabetes hindeutet und eine Kombination aus Metformin und Vitamin D als potenziell vielversprechende Strategie zum Schutz von Betazellen von Diabetikern vorschlägt Patienten.