Abstract The ability of immune-modulating biologics to prevent and reverse pathology has transformed recent clinical practice. Full utility in the neuroinflammation space, however, requires identification of both effective targets for local immune-modulation and a delivery system capable of crossing the blood-brain-barrier. The recent identification and characterization of a small population of regulatory T cells (Tregs) resident in the brain presents one such potential therapeutic target. Here we identified brain IL2 levels as a limiting factor for brain-resident Tregs. We developed a gene-delivery approach for astrocytes, with a small-molecule on-switch to allow temporal control, and enhanced production in reactive astrocytes to spatially-direct delivery to inflammatory sites. Mice with brain-specific IL2 delivery were protected from traumatic brain injury, stroke and multiple sclerosis models, without impacting the peripheral immune system. These results validate brain-specific IL2 gene-delivery as effective protection against neuroinflammation, and provide a versatile platform for delivery of diverse biologics to neuroinflammatory patients.

Abstract Background Alzheimer’s Disease is a neurodegenerative disease with a neuroinflammatory component. Due to the multifunctional capacity of regulatory T cells to prevent and reverse inflammation, regulatory T cells have been proposed as a potential therapeutic in Alzheimer’s Disease, either as a direct cell therapy or through the use of IL2 as a biologic to expand the endogenous population. Methods Here we characterize the longitudinal immunological changes occurring in T cells in the App NL-G-F mouse model of Alzheimer’s disease. Results Age-dependent immunological changes, in both the brain and periphery, occurred in parallel in both App NL-G-F mice and control App NL mice. As the endogenous IL2 axis was disturbed with age, we sought to determine the effect of IL2 supplementation on disease progression. Using a genetic model of IL2 provision in the periphery or in the brain, we found that expanding regulatory T cells in either location was unable to alter the progression of key pathological events or behavioral changes. Conclusion These results suggest that either the App NL-G-F mouse model does not recapitulate key regulatory T cell-dependent process of Alzheimer’s disease, or that regulatory T cell therapy is not a promising candidate for APP-mutation-driven Alzheimer’s disease.

Abstract Interleukin 2 (IL-2) is a key homeostatic cytokine, with potential therapeutic applications in both immunogenic and tolerogenic immune modulation. Clinical application has been hampered by pleiotropic functionality and wide-spread receptor expression, with unexpected adverse events during trials. To characterize the IL-2 homeostatic network, we developed a novel mouse strain allowing IL-2 production to be diverted. Rewiring of IL-2 production to diverse leukocyte sources allowed the identification of contextual influences over IL-2 impact. Network analysis identified a priority access for Tregs, and a competitive fitness cost induced among both Tregs and conventional CD4 T cells for IL-2 production. CD8 T cells and NK cells, by contrast, exhibited a preference for autocrine IL-2 production. IL-2 sourced from dendritic cells amplified the Treg circuit, while IL-2 produced by B cells induced two context-dependent circuits: dramatic expansion of CD8 + Tregs and ILC2 cells. The former was associated with an unexpected concentration of rare CD8 + Tregs in B cell zones, while the latter drove a downstream, IL-5-mediated, eosinophilic circuit. The source-specific effects demonstrate the contextual influence of IL-2 function and potentially explain unexpected adverse effects observed during clinical trials of exogenous IL-2. Targeted IL-2 production therefore has the potential to amplify or quench particular circuits in the IL-2 network, based on clinical desirability. Graphical abstract

The pleotropic nature of interleukin-2 (IL2) has allowed it to be used as both a pro-inflammatory and anti-inflammatory therapeutic agent, through promotion of regulatory T cell (Treg) responses via the IL2RA receptor or promotion of CD8 T cell responses via the IL2RB receptor, respectively. However, the utility of IL2 as a treatment is limited by this same pleiotropy, and protein engineering to bias specificity towards either the regulatory T cell (Treg) or CD8 T cell lineage often requires a trade-off in protein production or total bioactivity. Here we use SolubiS, a computational algorithm-based method, to predict mutations within the IL2 structure to improve protein production yield while altering cellular selectivity, to generate a mutein with elevated therapeutic potential. The design and testing process identified the V126R (murine) / V111R (human) mutation as a Treg-enhancing mutein, creating a cation repulsion to inhibit primary binding to IL2RB, with a post-IL2RA confirmational shift enabling secondary IL2RB binding, and hence allowing the trimeric receptor complex to form. In human IL2, additional N110R T151R aggregation-protecting mutations could improve protein yield of the V111R mutation. The approach also generated novel CD8 T cell-promoting mutations. Y79K created a cation-cation repulsion with IL2RA, while Q50W enhanced CD8 T cell activity through potential pi-stacking enhancing binding to IL2RB, with the combination highly stimulatory for CD8 T cells. For human IL2, Y65K (homolog to murine Y79K) coupled with E82K prevented IL2RA binding, however it required the aggregation-protecting mutations of N110R T151R to rescue production. These muteins, designed with both cellular specificity and protein production features, have potential as both biological tools and therapeutics.