The Microbiota Makes for Good Therapy The gut microbiota has been implicated in the development of some cancers, such as colorectal cancer, but—given the important role our intestinal habitants play in metabolism—they may also modulate the efficacy of certain cancer therapeutics. Iida et al. (p. 967 ) evaluated the impact of the microbiota on the efficacy of an immunotherapy [CpG (the cytosine, guanosine, phosphodiester link) oligonucleotides] and oxaliplatin, a platinum compound used as a chemotherapeutic. Both therapies were reduced in efficacy in tumor-bearing mice that lacked microbiota, with the microbiota important for activating the innate immune response against the tumors. Viaud et al. (p. 971 ) found a similar effect of the microbiota on tumor-bearing mice treated with cyclophosphamide, but in this case it appeared that the microbiota promoted an adaptive immune response against the tumors.

Summary

 Microbiota-induced cytokine responses participate in gut homeostasis, but the cytokine balance at steady-state and the role of individual bacterial species in setting the balance remain elusive. Herein, systematic analysis of gnotobiotic mice indicated that colonization by a whole mouse microbiota orchestrated a broad spectrum of proinflammatory T helper 1 (Th1), Th17, and regulatory T cell responses whereas most tested complex microbiota and individual bacteria failed to efficiently stimulate intestinal T cell responses. This function appeared the prerogative of a restricted number of bacteria, the prototype of which is the segmented filamentous bacterium, a nonculturable Clostridia-related species, which could largely recapitulate the coordinated maturation of T cell responses induced by the whole mouse microbiota. This bacterium, already known as a potent inducer of mucosal IgA, likely plays a unique role in the postnatal maturation of gut immune functions. Changes in the infant flora may thus influence the development of host immune responses.

Natural killer (NK) cells are innate lymphocytes with spontaneous antitumor activity, and they produce interferon-γ (IFN-γ) that primes immune responses. Whereas T helper cell subsets differentiate from naive T cells via specific transcription factors, evidence for NK cell diversification is limited. In this report, we characterized intestinal lymphocytes expressing the NK cell natural cytotoxicity receptor NKp46. Gut NKp46+ cells were distinguished from classical NK cells by limited IFN-γ production and absence of perforin, whereas several subsets expressed the nuclear hormone receptor retinoic acid receptor-related orphan receptor t (RORγt) and interleukin-22 (IL-22). Intestinal NKp46+IL-22+ cells were generated via a local process that was conditioned by commensal bacteria and required RORγt. Mice lacking IL-22-producing NKp46+ cells showed heightened susceptibility to the pathogen Citrobacter rodentium, consistent with a role for intestinal NKp46+ cells in immune protection. RORγt-driven diversification of intestinal NKp46+ cells thereby specifies an innate cellular defense mechanism that operates at mucosal surfaces.

Background Adult refractory sprue is a poorly defined disorder. We did a multicentre national study of patients with refractory sprue to characterise their clinical and pathological profile and outcome, and to assess the frequency and prognostic significance of phenotypic and molecular abnormalities in the intraepithelial T-cell population. Methods Patients with severe symptomatic villous atrophy mimicking coeliac disease but refractory to a strict gluten-free diet, and with no initial evidence of overt lymphoma, were diagnosed at gastrointestinal referral centres between 1974 and 1998. Fixed and/or frozen duodenojejunal biopsy samples were reanalysed and immunostained with CD3 and CD8 monoclonal antibodies to find out the phenotype of intraepithelial lymphocytes (IEL). TCRγ gene rearrangements were assessed on frozen biopsy samples by multiplex fluorescent PCR. Findings There were 21 patients with refractory sprue and 20 controls with coeliacs disease. 16 (84%) of 19 assessed patients had an aberrant intraepithelial lymphoid intestinal population expressing intracytoplasmic CD3 but not surface CD8. Clonal intestinal TCRγ gene rearrangements were found in 13 (76%) of 17 patients assessed; four (out of 12 assessed) had clonal dissemination to the blood. The 16 patients with an aberrant phenotype all had uncontrolled malabsorption; three subsequently developed overt T-cell lymphoma, and eight died. The three (16%) patients without aberrant clonal IEL made a complete clinical and histological recovery with steroid therapy plus a gluten-free diet. Interpretation An immunophenotypically aberrant clonal intraepithelial T-cell population (similar to that of most cases of enteropathy-associated T-cell lymphoma) can be found in up to 75% of patients with refractory coeliac sprue; its identification by simple diagnostic techniques represents a marker of poor outcome (including occurrence of overt T-cell lymphoma). We suggest that refractory sprue associated with an aberrant clonal IEL may be the missing link between coeliac disease and T-cell lymphoma and may be classified as cryptic enteropathy-associated T-cell lymphoma.

Abstract

 MICA molecules interact with the NKG2D-activating receptor on human NK and CD8 T cells. We investigated the participation of the MICA/NKG2D pathway in the destruction of intestinal epithelium by intraepithelial T lymphocytes (IEL) in Celiac disease and its premalignant complication, refractory sprue. We show that MICA is strongly expressed at epithelial cell surface in patients with active disease and is induced by gliadin or its p31-49 derived peptide upon in vitro challenge, an effect relayed by IL-15. This triggers direct activation and costimulation of IEL through engagement of NKG2D, leading to an innate-like cytotoxicity toward epithelial targets and enhanced TCR-dependent CD8 T cell-mediated adaptive response. Villous atrophy in Celiac disease might thus be ascribed to an IEL-mediated damage to enterocytes involving NKG2D/MICA interaction after gliadin-induced expression of MICA on gut epithelium. This supports a key role for MIC/NKG2D in the activation of intraepithelial immunity in response to danger.

Gut microbes make T cells keep the peace Our guts harbor trillions of microbial inhabitants, some of which regulate the types of immune cells that are present in the gut. For instance, Clostridium species of bacteria induce a type of T cell that promotes tolerance between the host and its microbial contents. Ohnmacht et al. and Sefik et al. characterized a population of gut regulatory T cells in mice, which required gut microbiota to survive. Multiple bacterial species of the microbiota could induce transcription factor–expressing regulatory T cells that helped maintain immune homeostasis. Mice engineered to lack these transcription factors exhibited enhanced susceptibility to colonic inflammation and had elevated amounts of proinflammatory molecules associated with allergies (see the Perspective by Hegazy and Powrie). Science , this issue pp. 989 and 993

Given the observations that intestinal epithelial cells (IECs) can present antigens to CD4(+) T lymphocytes and that professional antigen-presenting cells secrete exosomes (antigen-presenting vesicles), we hypothesized that IECs may secrete exosomes carrying molecules implicated in antigen presentation, which may be able to cross the basement membrane and convey immune information to noncontiguous immune cells.Human IEC lines HT29-19A and T84-DRB1*0401/CIITA were grown on microporous filters. Release of exosomes under basal or inflammatory conditions was evaluated in conditioned apical and basolateral media after differential ultracentrifugations. Morphologic and biochemical characterization of exosomes was performed using immunoelectron microscopy, Western blotting, and matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry.The intestinal cell lines released 30-90-nm-diameter vesicles from the apical and basolateral sides, and this release was significantly increased in the presence of interferon gamma. MHC class I, MHC class II, CD63, CD26/dipeptidyl-peptidase IV, and A33 antigen were present in epithelial-derived exosomes. CONCLUSIONS; Human IEC lines secrete exosomes bearing accessory molecules that may be involved in antigen presentation. These data are consistent with a model in which IECs may influence antigen presentation in the mucosal or systemic immune system independent of direct cellular contact with effector cells.

Mouse gut intraepithelial lymphocytes (IEL) consist mainly (90%) of two populations of CD8+ T cells. One bears heterodimeric alpha/beta CD8 chains (Lyt-2+, Lyt-3+), a T cell receptor (TCR) made of alpha/beta chains, and is Thy-1+; it represents the progeny of T blasts elicited in Peyer's patches by antigenic stimulation. The other bears homodimeric alpha/alpha CD8+ chains, contains no beta chain mRNA, and is mostly Thy-1- and TCR-gamma/delta + or -alpha/beta +; it is thymo-independent and does not require antigenic stimulation, as shown by its presence: (a) in nude and scid mice; (b) in irradiated and thymectomized mice repopulated by T-depleted bone marrow cells bearing an identifiable marker; (c) in thymectomized mice treated by injections of monoclonal anti-CD8 antibody, which lead to total depletion of peripheral CD8+ T lymphocytes; and (d) in germ-free mice and in suckling mice. In young nude mice, alpha/alpha CD8 chains, CD3-TCR complexes, and TCR mRNAs (first gamma/delta) are found on IEL, while they are not detectable on or in peripheral or circulating lymphocytes or bone marrow cells. IEL, in contrast to mature T cells, contain mRNA for the RAG protein, which is required for the rearrangement of TCR and Ig genes. We propose that the gut epithelium (an endoderm derivative, as the thymic epithelium) has an inductive property, attracting progenitors of bone marrow origin, and triggering their TCR rearrangement and alpha/alpha CD8 chains expression, thus giving rise to a T cell population that appears to belong to the same lineage as gamma/delta thymocytes and to recognize an antigenic repertoire different from that of alpha/beta CD8+ IEL.

Abstract A monoclonal antibody, HML‐1, was produced by fusion of NSI myeloma cells with spleen cells of a mouse immunized with isolated human intestinal intraepithelial lymphocytes (IEL). Immunofluorescence studies of isolated cells, as well as immunoperoxidase staining of tissue sections, indicated that HML‐1 labeled all the various subsets of human intestinal IEL, approximately 40% of lamina propria T cells, 30% mesenteric lymphoblasts and some lymphocytes in other mucosae, particularly IEL. Conversely, it revealed only rare cells in all other lymphoid compartments. Analysis by polyacrylamide gel gradient electrophoresis showed that HML‐1 precipitated two major noncovalently bound components of approximate mol. masses of 105 and 150 kDa from human IEL. HML‐1 thus defines a novel human membrane antigen present on a subpopulation of lymphocytes preferentially associated with epithelia, and particularly with the intestinal epithelium. The characteristics of this human antigen are very similar to those of an antigen we had previously described in the rat. The possible functional role of this novel class of lymphocyte membrane antigens as well as the nature of the mechanism that triggers their expression remain to be elucidated.

Microbes colonize all body surfaces at birth and participate in the development of the immune system. In newborn mammals, the intestinal microbiota is first shaped by the dietary and immunological components of milk and then changes upon the introduction of solid food during weaning. Here, we explored the reactivity of the mouse intestinal immune system during the first weeks after birth and into adulthood. At weaning, the intestinal microbiota induced a vigorous immune response-a "weaning reaction"-that was programmed in time. Inhibition of the weaning reaction led to pathological imprinting and increased susceptibility to colitis, allergic inflammation, and cancer later in life. Prevention of this pathological imprinting was associated with the generation of RORγt+ regulatory T cells, which required bacterial and dietary metabolites-short-chain fatty acids and retinoic acid. Thus, the weaning reaction to microbiota is required for immune ontogeny, the perturbation of which leads to increased susceptibility to immunopathologies later in life.