Killing efficiency of natural killer cells is boosted by physical contact with T cells

Abstract

Natural killer (NK) cells are killer cells from the innate immune system responsible for eliminating pathogen-infected or tumorigenic cells. T cells are the central players in the adaptive immune system, including T helper CD4+ T cells and cytotoxic CD8+ T cells. However, how the interaction between NK cells with T cells influences NK cell killing efficiency still largely unknown. To tackle this question, in this work, I co-cultured primary NK cells with activated T cells and examined NK cell killing efficiency. I found that an in vitro co-culture with activated T cells, both CD4+ and CD8+, greatly enhances the killing efficiency of homologues NK cells against different types of tumor cell lines. Co-culture with T cells did not affect NK cells on the expressions of cytolytic proteins (perforin and granzymes) or the degranulation of lytic granules. Instead, T cell co-culture greatly enhanced speed and persistence of NK cell migration as well as NK cell infiltrating capability into 3D collagen matrices. The T cell-induced NK activation can be achieved in 24-hour-co-culture and lasts for several days. I have further identified that physical contact between NK and T cells is indispensable. Blockade of IL-2 receptor using neutralizing antibody abolished enhancement in NK cell killing boosted by T cells. Nether conditional medium from activated T cells nor addition of IL-2 could resemble the extent of T cell boosted NK cell killing, indicating that local IL-2 plays a critical role in this regard. Moreover, ICAM-1/LFA-1 interaction is also involved in boosting NK cell functions by T cells. Surface molecule profiling from CyTOF analysis revealed distinct subsets in T cell boosted NK cells. RNAseq data show that cytoskeletal elements and related molecules as well as metabolic pathways were significantly altered by T cell co-culture. These findings extend the understanding of the T-NK cell interaction mechanism and provide valuable insights into the link between important players from both innate and adaptive immunity.

Natürliche Killerzellen (NK) sind zelluläre Bestandteile des angeborenen Immunsystems, die eine wichtige Rolle bei der Beseitigung von mit Krankheitserregern infizierten oder tumorbildenden Zellen spielen. Auf der anderen Seite sind T-Zellen die Hauptakteure des adaptiven Immunsystems, zu denen CD4+ T-Helferzellen und zytotoxische CD8+ T-Zellen gehören. Obwohl die Interaktion zwischen NK-Zellen und T-Zellen die Tötungseffizienz der NK-Zellen beeinflusst, ist dieser Mechanismus noch weitgehend unerforscht. Im Rahmen dieser Studie habe ich primäre NK-Zellen mit aktivierten T-Zellen in einer Ko-Kultur untersucht, um die Auswirkungen auf die Tötungseffizienz der NK-Zellen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die In-vitro-Kokultur mit aktivierten T-Zellen, sowohl CD4+ als auch CD8+, die Tötungseffizienz der NK-Zellen gegen verschiedene Tumorzelllinien signifikant erhöht. Es wurde festgestellt, dass diese Ko-Kultur weder die Expression von zytotoxischen Proteinen wie Perforin und Granzyme noch die Degranulation der lytischen Granula beeinflusst. Stattdessen erhöht die Ko-Kultur mit T-Zellen die Geschwindigkeit und Ausdauer der Migration der NK-Zellen sowie deren Fähigkeit, in dreidimensionale Kollagenmatrizes einzudringen. Die Aktivierung der NK-Zellen durch T-Zellen kann bereits innerhalb von 24 Stunden in der Ko-Kultur erreicht werden und hält mehrere Tage an. Des Weiteren wurde festgestellt, dass der direkte physische Kontakt zwischen NK- und T-Zellen unerlässlich ist. Die Blockade des IL-2-Rezeptors mit einem neutralisierenden Antikörper hebt die Verstärkung der NK-Zellabtötung durch T-Zellen auf. Weder das konditionierte Medium von aktivierten T-Zellen noch die Zugabe von IL-2 allein konnten das Ausmaß der verstärkten NK-Zellabtötung durch T-Zellen erreichen, was darauf hinweist, dass lokales IL-2 in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus spielt die Interaktion von ICAM-1/LFA-1 eine bedeutende Rolle bei der Verstärkung der NK-Zellfunktionen durch T-Zellen. Durch die Anwendung der CyTOF-Analyse konnten Oberflächenmolekülprofile erstellt werden, die unterschiedliche Untergruppen in den NK-Zellen aufzeigten, die durch T-Zellen verstärkt wurden. Zusätzlich zeigten RNAseq-Daten signifikante Veränderungen in Elementen des Zytoskeletts, verwandten Molekülen und Stoffwechselwegen durch die Ko-Kultur mit T-Zellen. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis des Interaktionsmechanismus zwischen T- und NK-Zellen und liefern wertvolle Informationen über die Verbindung zwischen den maßgeblichen Akteuren des angeborenen und des adaptiven Immunsystems.