Naive CD4+ T cells produce interleukin 2 (IL-2) but little IL-4 or interferon gamma (IFN-gamma). In vitro, they develop into IL-4 or IFN-gamma producers depending on the conditions of the priming culture. Using T-cell receptor transgenic CD4+ T cells, the role of IL-12 and IL-4 in antigen-specific priming was examined. IL-12 substantially enhanced the ability of naive CD4+ T cells to develop into cells that produced IFN-gamma upon restimulation. However, it was not essential since anti-IL-12 antibodies failed to block the priming for IFN-gamma observed in the absence of exogenous IL-12. When both IL-12 and IL-4 were present in the priming culture, IL-12 did not inhibit priming for IL-4 production. In contrast, IL-4 diminished but did not abolish priming for IFN-gamma production. In an accessory cell-independent priming system, IL-12 strikingly augmented priming for IFN-gamma production, indicating that it acts directly on T cells. IFN-gamma itself did not enhance priming for IFN-gamma production in either accessory cell-dependent or independent systems. In an accessory cell-dependent system, the IL-12-mediated enhancement was not blocked by adding neutralizing anti-IFN-gamma monoclonal antibody. However, in an accessory cell-independent system, anti-IFN-gamma antibody did inhibit priming for IFN-gamma production leaving open a role for IFN-gamma in the priming process. These data indicate that IL-12 has a major effect on the inductive phase of T-cell priming by enhancing commitment to IFN-gamma production and thus can profoundly influence the state of immunity that develops.

To examine the function of IL-10 synthesis during early infection with the intracellular protozoan Toxoplasma gondii, IL-10 knockout (KO) mice were inoculated with an avirulent parasite strain (ME-49). In contrast to control littermates that displayed 100% survival, the IL-10-deficient animals succumbed within the first 2 wk of the infection, with no evidence of enhanced parasite proliferation. The mortality in the IL-10 KO mice was associated with enhanced liver pathology characterized by increased cellular infiltration and intense necrosis. Levels of IL-12 and IFN-gamma in sera of infected IL-10-deficient animals were four- to sixfold higher than those in sera from control mice, as were mRNA levels for IFN-gamma, IL-1 beta, TNF-alpha, and IL-12 in lung tissue. Similarly, macrophages from IL-10 KO mice activated in vitro or in vivo with T. gondii produced higher levels of TNF-alpha and IL-12 than macrophages from control animals. Moreover, spleen cells from IL-10 KO mice infected with T. gondii secreted more IFN-gamma than splenocytes from nondeficient animals. In vitro depletion experiments indicated that CD4+ lymphocytes are the major source of the latter cytokine in the spleen cell populations, and in vivo depletion with anti-CD4 Abs protected the IL-10 KO mice from parasite-induced mortality. Together the data suggest that endogenous IL-10 synthesis plays an important role in vivo in down-regulating monokine and IFN-gamma responses to acute intracellular infection, thereby preventing host immunopathology.

Immunity against the intracellular protozoan Toxoplasma gondii is highly dependent on interferon gamma (IFN-gamma). We have previously shown that, in addition to T lymphocytes, natural killer (NK) cells can be stimulated by the parasite to produce this cytokine by a reaction requiring adherent accessory cells and tumor necrosis factor alpha. We now demonstrate that a recently characterized cytokine, interleukin 12 (IL-12), is also necessary for parasite-induced IFN-gamma synthesis by NK cells. Anti-IL-12 antibodies completely inhibited T. gondii or bacterial endotoxin-stimulated IFN-gamma production by NK-enriched spleen cells from severe combined immunodeficient mice. Moreover, potent NK cytokine responses were induced by the combination of IL-12 and tumor necrosis factor alpha. In addition, adherent spleen cells from scid/scid mice or thyoglycollate-elicited macrophages from BALB/c animals produced high levels of both IL-12 (p40) and tumor necrosis factor alpha mRNAs when exposed to either live tachyzoites, parasite extracts, or endotoxin, confirming that these cytokines are produced by accessory cells. Finally, in vivo studies showed that treatment with recombinant IL-12 results in prolonged survival of scid mice after infection with T. gondii by means of a response dependent on both IFN-gamma and NK cells. Together the data argue that IL-12 is required for the T-cell-independent triggering of NK cells by intracellular parasites and that the cytokine may be useful for inducing this protective pathway in immunodeficient hosts.

In vitro and in vivo studies were performed to assess the involvement of IL-12 in resistance to acute and chronic infection with an avirulent strain of Toxoplasma gondii. Our previous findings implicated macrophages as a major source of parasite-induced IL-12. This finding was confirmed by showing that peritoneal macrophages exposed to either live parasites or soluble tachyzoite Ags produce IL-12 protein. In mice, increased expression of IL-12 (p40) mRNA in both spleen and peritoneal cells was detected as early as 2 days postinfection. Treatment with neutralizing mAbs against IL-12 increased the susceptibility of C57BL/6, BALB/c, and severe combined immunodeficient (SCID) mice to acute infection, which resulted in 100% mortality within the first 15 days after parasite inoculation. In contrast, neutralization of endogenously produced IL-12 had no effect when given during chronic infection. In agreement with the survival data, treatment with anti-IL-12 resulted in decreased IFN-gamma and enhanced Th2 (IL-4 and IL-10) cytokine synthesis by splenocytes when given during acute, but not chronic, toxoplasmosis. Sorting experiments on spleen cells from acutely infected mice indicated that both CD4+ lymphocytes and NK1.1+/CD3- cells contribute to the early IFN-gamma response. In contrast, CD4+ cells were found to be the major source of the cytokine during chronic disease. Together, these results suggest that the stimulation of macrophage-derived IL-12 plays a major role in both the induction of resistance and Th1 cell subset selection in acute T. gondii infection, but may not be required to maintain established immunity.

Abstract IL-10, a cytokine produced by CD4+ T lymphocytes belonging to the Th-2 subset, has previously been shown to inhibit the synthesis of IFN-gamma by both T cells and NK cells. We now demonstrate that IL-10 can also down-regulate IFN-gamma-dependent immunity by blocking the ability of that lymphokine to activate macrophages. Thus, IL-10, in a dose-dependent manner, inhibits the microbicidal activity of IFN-gamma-treated inflammatory macrophages against intracellular Toxoplasma gondii as well as the extracellular killing of schistosomula of Schistosoma mansoni. This suppression correlates with the inhibition by IL-10 of IFN-gamma-induced production of toxic nitrogen oxide metabolites, an effector mechanism previously implicated in the killing by macrophages of both parasite targets. IL-10 inhibition of nitric oxide production was shown to occur when the cytokine is given before or together with the IFN-gamma-activating stimulus, but not after its removal from the cultures and to require 12 h of contact for maximal suppressive effect on macrophage function. These results, taken together with previous findings on the down-regulation of Th1 lymphokine production by IL-10, indicate that the induction of IL-10 may be an important strategy by which parasites evade IFN-gamma-dependent, cell-mediated immune destruction.

Abstract BALB/c mice vaccinated with a temperature-sensitive mutant (TS-4) of Toxoplasma gondii develop complete resistance to lethal challenge with a highly virulent toxoplasma strain (RH). This immunity is known to be dependent on IFN-gamma synthesis. In vitro and in vivo T cell depletions were performed in order to identify the subsets responsible for both protective immunity and IFN-gamma production. When stimulated with crude tachyzoite Ag in vitro, CD4+ cells from vaccinated mice produced high levels of TH1 cytokines (IL-2 and IFN-gamma) but not TH2 cytokines (IL-4 and IL-5). CD8+ cells, in contrast, produced less IFN-gamma and no detectable IL-2. Nevertheless, they could be induced to synthesize IFN-gamma when exposed in culture to exogenous IL-2. In vivo treatment with anti-CD4 plus anti-CD8 or anti-IFN-gamma antibodies during challenge infection completely abrogated resistance to T. gondii. In contrast, treatment with anti-CD4 alone failed to reduce immunity, whereas anti-CD8 treatment partially decreased vaccine-induced resistance. These results suggest that although IFN-gamma and IL-2-producing CD4+ lymphocytes are induced by vaccination, IFN-gamma-producing CD8+ T cells are the major effectors of immunity in vivo. Nevertheless, CD4+ lymphocytes appear to play a synergistic role in vaccine-induced immunity, probably through the augmentation of IFN-gamma synthesis by the CD8+ effector cells. This hypothesis is supported by the observation that when giving during vaccination, as opposed to after challenge, anti-CD4 antibodies are capable of blocking protective immunity.

Abstract Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors and glycoinositolphospholipids (GIPLs) from parasitic protozoa have been shown to exert a wide variety of effects on cells of the host innate immune system. However, the receptor(s) that are triggered by these protozoan glycolipids has not been identified. Here we present evidence that Trypanosoma cruzi-derived GPI anchors and GIPLs trigger CD25 expression on Chinese hamster ovary-K1 cells transfected with CD14 and Toll-like receptor-2 (TLR-2), but not wild-type (TLR-2-deficient) Chinese hamster ovary cells. The protozoan-derived GPI anchors and GIPLs containing alkylacylglycerol and saturated fatty acid chains or ceramide were found to be active in a concentration range of 100 nM to 1 μM. More importantly, the GPI anchors purified from T. cruzi trypomastigotes, which contain a longer glycan core and unsaturated fatty acids in the sn-2 position of the alkylacylglycerolipid component, triggered TLR-2 at subnanomolar concentrations. We performed experiments with macrophages from TLR-2 knockout and TLR-4 knockout mice, and found that TLR-2 expression appears to be essential for induction of IL-12, TNF-α, and NO by GPI anchors derived from T. cruzi trypomastigotes. Thus, highly purified GPI anchors from T. cruzi parasites are potent activators of TLR-2 from both mouse and human origin. The activation of TLR-2 may initiate host innate defense mechanisms and inflammatory response during protozoan infection, and may provide new strategies for immune intervention during protozoan infections.

C57BL/6 mice chronically infected with an avirulent strain (ME-49) of Toxoplasma gondii were used to study the mechanisms by which T lymphocytes and IFN-gamma prevent reactivation of latent infection. Infected animals were treated with mAb, either anti-CD8, anti-CD4, anti-CD4 plus anti-CD8, anti-IFN-gamma, or anti-CD4 plus anti-IFN-gamma and the mice followed for survival, histopathology, cyst numbers, and spleen cell cytokine responses. In agreement with previously published findings, treatment with anti-IFN-gamma antibodies fully reactivated the asymptomatic infection, inducing massive necrotic areas in the brain with the appearance of free tachyzoites and death of all animals within 2 wk. Mice treated with the combination of anti-CD4 plus anti-CD8 antibodies showed augmented pathology and mortality nearly identical to the anti-IFN-gamma- treated animals. In contrast, treatment with anti-CD4 or anti-CD8 mAb alone failed to result in significantly enhanced brain pathology or mortality. In additional experiments, full reactivation of infection was observed in mice treated with anti-CD4 plus anti-IFN-gamma indicating that CD4+ lymphocytes are not required for the pathology resulting from IFN-gamma neutralization. Cytokine measurements on parasite Ag-stimulated spleen cells from mAb-treated mice indicated that both CD4+ and CD8+ cells produce IFN-gamma whereas only CD4+ cells contribute to parasite Ag-induced IL-2 synthesis. Together, these results suggest that CD4+ and CD8+ lymphocytes act additively or synergistically to prevent reactivation of chronic T. gondii infection probably through the production of IFN-gamma.

Hemozoin (HZ) is an insoluble crystal formed in the food vacuole of malaria parasites. HZ has been reported to induce inflammation by directly engaging Toll-like receptor (TLR) 9, an endosomal receptor. “Synthetic” HZ (β-hematin), typically generated from partially purified extracts of bovine hemin, is structurally identical to natural HZ. When HPLC-purified hemin was used to synthesize the crystal, β-hematin had no inflammatory activity. In contrast, natural HZ from Plasmodium falciparum cultures was a potent TLR9 inducer. Natural HZ bound recombinant TLR9 ectodomain, but not TLR2. Both TLR9 stimulation and TLR9 binding of HZ were abolished by nuclease treatment. PCR analysis demonstrated that natural HZ is coated with malarial but not human DNA. Purified malarial DNA activated TLR9 but only when DNA was targeted directly to the endosome with a transfection reagent. Stimulatory quantities of natural HZ contain <1 μg of malarial DNA; its potency in activating immune responses was even greater than transfecting malarial DNA. Thus, although the malarial genome is extremely AT-rich, its DNA is highly proinflammatory, with the potential to induce cytokinemia and fever during disease. However, its activity depends on being bound to HZ, which we propose amplifies the biological responses to malaria DNA by targeting it to a TLR9 + intracellular compartment.

The present study was carried out to determine the effector mechanism of anti-Trypanosoma cruzi activity by interferon (IFN)-gamma plus lipopolysaccharide (LPS)-treated macrophages. A macrophage cell line (IC-21) that failed to mount an appreciable oxidative burst was nevertheless found able to control T. cruzi growth after exposure to IFN-gamma alone or IFN-gamma plus LPS. Moreover, microbicidal functions of both inflammatory macrophages and IC-21 against T. cruzi was found to be inhibited in the presence of NG-monomethyl-L-arginine (NGMMA), a competitive inhibitor of L-arginine. Addition of supplemental L-arginine to the culture overcame the capacity of NGMMA to block activated macrophage anti-T. cruzi functions. The ability of NGMMA to reverse both parasite growth inhibition and killing by IFN-gamma plus LPS-activated macrophages was found to correlate with the suppression of nitrite accumulation in the culture supernatants. Together, these results implicate the L-arginine-dependent production of nitric oxide in T. cruzi killing by activated macrophages. We also tested the ability of interleukin(IL)-10 and transforming growth factor (TGF)-beta, to block regulation of T. cruzi growth in this system. Both IL-10 and TGF-beta inhibited anti-parasite function by IFN-gamma-activated macrophages, with an optimal dose of 100 units/ml and 0.5 ng/ml, respectively. Moreover, when used in combination, suboptimal doses of IL-10 and TGF-beta were found to produce a synergistic inhibitory effect in the regulation of T. cruzi growth. The ability of IL-10 and TGF-beta to suppress microbicidal function was also positively correlated with inhibition of nitrite generation in macrophage culture supernatants. These results predict an in vivo role for IL-10 and TGF-beta in promoting parasite survival in the face of the host cell-mediated immune response.