In T cell-deficient conditions, naive T cells undergo spontaneous "homeostatic" proliferation in response to contact with self-MHC/peptide ligands. With the aid of an in vitro system, we show here that homeostatic proliferation is also cytokine-dependent. The cytokines IL-4, IL-7, and IL-15 enhanced homeostatic proliferation of naive T cells in vitro. Of these cytokines, only IL-7 was found to be critical; thus, naive T cells underwent homeostatic proliferation in IL-4(-) and IL-15(-) hosts but proliferated minimally in IL-7(-) hosts. In addition to homeostatic proliferation, the prolonged survival of naive T cells requires IL-7. Thus, naïve T cells disappeared gradually over a 1-month period upon adoptive transfer into IL-7(-) hosts. These findings indicate that naive T cells depend on IL-7 for survival and homeostatic proliferation.

The β-haemoglobinopathies, such as sickle cell disease and β-thalassaemia, are caused by mutations in the β-globin (HBB) gene and affect millions of people worldwide. Ex vivo gene correction in patient-derived haematopoietic stem cells followed by autologous transplantation could be used to cure β-haemoglobinopathies. Here we present a CRISPR/Cas9 gene-editing system that combines Cas9 ribonucleoproteins and adeno-associated viral vector delivery of a homologous donor to achieve homologous recombination at the HBB gene in haematopoietic stem cells. Notably, we devise an enrichment model to purify a population of haematopoietic stem and progenitor cells with more than 90% targeted integration. We also show efficient correction of the Glu6Val mutation responsible for sickle cell disease by using patient-derived stem and progenitor cells that, after differentiation into erythrocytes, express adult β-globin (HbA) messenger RNA, which confirms intact transcriptional regulation of edited HBB alleles. Collectively, these preclinical studies outline a CRISPR-based methodology for targeting haematopoietic stem cells by homologous recombination at the HBB locus to advance the development of next-generation therapies for β-haemoglobinopathies. These preclinical studies outline a CRISPR-based methodology for correcting β-globin gene mutations in haematopoietic stem cells to advance the development of next-generation therapies for β-haemoglobinopathies. Matthew Porteus and colleagues develop a method to improve gene editing for correction of β-haemoglobinopathies such as sickle cell disease and β-thalassaemia. By optimizing delivery and CRISPR-based homologous recombination gene correction, scaling the genome editing protocol, and including a reporter gene to enrich for edited cell populations, the authors can increase the number of corrected long-term haematopoietic stem cells ex vivo that can retain their functionality after transplantation. Initial testing suggests that this strategy could be further developed for clinical implementation.

The CRISPR–Cas9 system is a powerful tool for genome editing, which allows the precise modification of specific DNA sequences. Many efforts are underway to use the CRISPR–Cas9 system to therapeutically correct human genetic diseases1–6. The most widely used orthologs of Cas9 are derived from Staphylococcus aureus and Streptococcus pyogenes5,7. Given that these two bacterial species infect the human population at high frequencies8,9, we hypothesized that humans may harbor preexisting adaptive immune responses to the Cas9 orthologs derived from these bacterial species, SaCas9 (S. aureus) and SpCas9 (S. pyogenes). By probing human serum for the presence of anti-Cas9 antibodies using an enzyme-linked immunosorbent assay, we detected antibodies against both SaCas9 and SpCas9 in 78% and 58% of donors, respectively. We also found anti-SaCas9 T cells in 78% and anti-SpCas9 T cells in 67% of donors, which demonstrates a high prevalence of antigen-specific T cells against both orthologs. We confirmed that these T cells were Cas9-specific by demonstrating a Cas9-specific cytokine response following isolation, expansion, and antigen restimulation. Together, these data demonstrate that there are preexisting humoral and cell-mediated adaptive immune responses to Cas9 in humans, a finding that should be taken into account as the CRISPR–Cas9 system moves toward clinical trials. Cas9-specific antibodies and reactive T cells are found in the majority of healthy adult human serum samples analyzed. Such preexisting adaptive immunity should be taken into consideration as the CRISPR–Cas9 system moves toward clinical trials.

Haematopoietic stem cells in umbilical cord blood are an attractive target for gene therapy of inborn errors of metabolism. Three neonates with severe combined immunodeficiency were treated by retroviral-mediated transduction of the CD34+ cells from their umbilical cord blood with a normal human adenosine deaminase complementary DNA followed by autologous transplantation. The continued presence and expression of the introduced gene in leukocytes from bone marrow and peripheral blood for 18 months demonstrates that umbilical cord blood cells may be genetically modified with retroviral vectors and engrafted in neonates for gene therapy.

Why some patients with seizures are successfully treated with antiepileptic drugs (AEDs) and others prove medically intractable is not known. Inadequate intraparenchymal drug concentration is a possible mechanism of resistance to AEDs. The multiple drug resistance gene (MDR1) encodes P-glycoprotein, an energy-dependent efflux pump that exports planar hydrophobic molecules from the cell. If P-glycoprotein is expressed in brain of some patients with intractable epilepsy and AEDs are exported by P-glycoprotein, lower intraparenchymal drug concentrations could contribute to lack of drug response in such patients. Eleven of 19 brain specimens removed from patients during operation for intractable epilepsy had MDR1 mRNA levels > 10 times greater than those in normal brain, as determined by quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) method. Immunohistochemistry for P-glycoprotein from 14 of the patients showed increased staining in capillary endothelium in samples from epileptic patients as compared with staining in normal brain samples. In epileptic brain specimens with high MDR1 mRNA levels, expression of P-glycoprotein in astrocytes also was identified. Last, steady-state intracellular phenytoin (PHT) concentrations in MDR1 expressing neuroectodermal cells was one fourth that in MDR1-negative cells. MDR1 expression is increased in brain of some patients with medically intractable epilepsy, suggesting that the patients' lack of response to medication may be caused by inadequate accumulation of AED in brain.

Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is followed by profound immunodeficiency. Thymic function is necessary for de novo generation of T cells after HSCT. Circulating CD45RA+ naive T-cell levels are predictive of antigen-specific T-cell responses in the absence of graft-versus-host disease (GVHD). These T cells may not represent recent thymic emigrants, since naive T cells may maintain this phenotype if not antigen-activated. To accurately measure thymic output after HSCT and determine the factors that influence thymic function, T-cell receptor excision circles (TRECs) were examined in CD4+ and CD8+ cells from a cross-section of patients following HSCT. TREC levels rose weeks after HSCT and could be detected in patients 6 years after HSCT. TREC levels correlated with the frequency of phenotypically naive T cells, indicating that such cells were not expanded progeny of naive T cells present in the donor graft. Chronic GVHD was the most important factor that predicted low TREC levels even years after HSCT. Patients with a history of resolved GVHD had decreased numbers of TREC, compared with those with no GVHD. Because few adults had no history of GVHD, it was not possible to determine whether age alone inversely correlated with TREC levels. Recipients of cord blood grafts had no evidence of decreased TREC induced by immunosuppressive prophylaxis drugs. Compared with unrelated donor grafts, recipients of matched sibling grafts had higher TREC levels. Collectively, these data suggest that thymopoiesis is inhibited by GVHD. Larger studies will be needed to determine the independent contributions of age and preparative regimen to post-transplant thymopoietic capacity.

Although the mammalian immune system is generally thought to develop in a linear fashion, findings in avian and murine species argue instead for the developmentally ordered appearance (or "layering") of distinct hematopoietic stem cells (HSCs) that give rise to distinct lymphocyte lineages at different stages of development. Here we provide evidence of an analogous layered immune system in humans. Our results suggest that fetal and adult T cells are distinct populations that arise from different populations of HSCs that are present at different stages of development. We also provide evidence that the fetal T cell lineage is biased toward immune tolerance. These observations offer a mechanistic explanation for the tolerogenic properties of the developing fetus and for variable degrees of immune responsiveness at birth.

Abstract In a previous investigation, we demonstrated that mesenchymal stem cells (MSCs) actively migrated to cardiac allografts and contributed to graft fibrosis and, to a lesser extent, to myocardial regeneration. The cellular/molecular mechanism responsible for MSC migration, however, is poorly understood. This paper examines the role of CD44-hyaluronan interaction in MSC migration, using a rat MSC line Ap8c3 and mouse CD44−/− or CD44+/+ bone marrow stromal cells (BMSCs). Platelet-derived growth factor (PDGF) stimulation of MSC Ap8c3 cells significantly increased the levels of cell surface CD44 detected by flow cytometry. The CD44 standard isoform was predominantly expressed by Ap8c3 cells, accounting for 90% of the CD44 mRNA determined by quantitative real-time polymerase chain reaction. Mouse CD44−/− BMSCs bonded inefficiently to hyaluronic acid (HA), whereas CD44+/+ BMSC and MSC Ap8c3 adhered strongly to HA. Adhesions of MSC Ap8c3 cells to HA were suppressed by anti-CD44 antibody and by CD44 small interfering RNA (siRNA). HA coating of the migration chamber significantly promoted passage of CD44+/+ BMSC or Ap8c3 cells, but not CD44−/− BMSCs, through the insert membranes (p < .01). Migration of MSC Ap8c3 was significantly inhibited by anti-CD44 antibodies (p < .01) and to a lesser extent by CD44 siRNA (p = .05). The data indicate that MSC Ap8c3 cells, in response to PDGF stimulation, express high levels of CD44 standard (CD44s) isoform, which facilitates cell migration through interaction with extracellular HA. Such a migratory mechanism could be critical for recruitment of MSCs into wound sites for the proposition of tissue regeneration, as well as for migration of fibroblast progenitors to allografts in the development of graft fibrosis.

The immunological mechanisms required to engender resistance have been defined in few infectious diseases of man, and the role of specific cytokines is unclear. Leprosy presents clinically as a spectrum in which resistance correlates with cell-mediated immunity to the pathogen. To assess in situ cytokine patterns, messenger RNA extracted from leprosy skin biopsy specimens was amplified by the polymerase chain reaction with 14 cytokine-specific primers. In lesions of the resistant form of the disease, messenger RNAs coding for interleukin-2 and interferon-gamma were most evident. In contrast, messenger RNAs for interleukin-4, interleukin-5, and interleukin-10 predominated in the multibacillary form. Thus, resistance and susceptibility were correlated with distinct patterns of cytokine production.

We conducted a gene therapy trial in 10 patients with adenosine deaminase (ADA)-deficient severe combined immunodeficiency using 2 slightly different retroviral vectors for the transduction of patients' bone marrow CD34(+) cells. Four subjects were treated without pretransplantation cytoreduction and remained on ADA enzyme-replacement therapy (ERT) throughout the procedure. Only transient (months), low-level (< 0.01%) gene marking was observed in PBMCs of 2 older subjects (15 and 20 years of age), whereas some gene marking of PBMC has persisted for the past 9 years in 2 younger subjects (4 and 6 years). Six additional subjects were treated using the same gene transfer protocol, but after withdrawal of ERT and administration of low-dose busulfan (65-90 mg/m(2)). Three of these remain well, off ERT (5, 4, and 3 years postprocedure), with gene marking in PBMC of 1%-10%, and ADA enzyme expression in PBMC near or in the normal range. Two subjects were restarted on ERT because of poor gene marking and immune recovery, and one had a subsequent allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. These studies directly demonstrate the importance of providing nonmyeloablative pretransplantation conditioning to achieve therapeutic benefits with gene therapy for ADA-deficient severe combined immunodeficiency.