Although cytotoxic T lymphocytes (CTLs) are thought to be involved in the control of human immunodeficiency virus–type 1 (HIV-1) infection, it has not been possible to demonstrate a direct relation between CTL activity and plasma RNA viral load. Human leukocyte antigen–peptide tetrameric complexes offer a specific means to directly quantitate circulating CTLs ex vivo. With the use of the tetrameric complexes, a significant inverse correlation was observed between HIV-specific CTL frequency and plasma RNA viral load. In contrast, no significant association was detected between the clearance rate of productively infected cells and frequency of HIV-specific CTLs. These data are consistent with a significant role for HIV-specific CTLs in the control of HIV infection and suggest a considerable cytopathic effect of the virus in vivo.

Although hepatitis C virus (HCV) infection is very common, identification of patients during acute infection is rare. Consequently, little is known about the immune response during this critical stage of the disease. We analyzed the T lymphocyte response during and after acute resolving HCV infection in three persons, using interferon (IFN)-γ enzyme-linked immunospot (ELISPOT) and human histocompatibility leukocyte antigen (HLA) peptide tetramer assays. Acute infection was associated with a broadly directed T helper and cytotoxic T lymphocyte (CTL) response, which persisted after resolution of clinical hepatitis and clearance of viremia. At the earliest time point studied, highly activated CTL populations were observed that temporarily failed to secrete IFN-γ, a “stunned” phenotype, from which they recovered as viremia declined. In long-term HCV-seropositive persons, CTL responses were more common in persons who had cleared viremia compared with those with persistent viremia, although the frequencies of HCV-specific CTLs were lower than those found in persons during and after resolution of acute HCV infection. These studies demonstrate a strong and persistent CTL response in resolving acute HCV infection, and provide rationale to explore immune augmentation as a therapeutic intervention in chronic HCV infection.

The characterization of human dendritic cell (DC) subsets is essential for the design of new vaccines. We report the first detailed functional analysis of the human CD141+ DC subset. CD141+ DCs are found in human lymph nodes, bone marrow, tonsil, and blood, and the latter proved to be the best source of highly purified cells for functional analysis. They are characterized by high expression of toll-like receptor 3, production of IL-12p70 and IFN-β, and superior capacity to induce T helper 1 cell responses, when compared with the more commonly studied CD1c+ DC subset. Polyinosine-polycytidylic acid (poly I:C)–activated CD141+ DCs have a superior capacity to cross-present soluble protein antigen (Ag) to CD8+ cytotoxic T lymphocytes than poly I:C–activated CD1c+ DCs. Importantly, CD141+ DCs, but not CD1c+ DCs, were endowed with the capacity to cross-present viral Ag after their uptake of necrotic virus-infected cells. These findings establish the CD141+ DC subset as an important functionally distinct human DC subtype with characteristics similar to those of the mouse CD8α+ DC subset. The data demonstrate a role for CD141+ DCs in the induction of cytotoxic T lymphocyte responses and suggest that they may be the most relevant targets for vaccination against cancers, viruses, and other pathogens.

Characterization of cytolytic T lymphocyte (CTL) responses to tumor antigens has been impeded by a lack of direct assays of CTL activity. We have synthesized reagents (“tetramers”) that specifically stain CTLs recognizing melanoma antigens. Tetramer staining of tumor-infiltrated lymph nodes ex vivo revealed high frequencies of tumor-specific CTLs which were antigen-experienced by surface phenotype. In vitro culture of lymph node cells with cytokines resulted in very large expansions of tumor-specific CTLs that were dependent on the presence of tumor cells in the lymph nodes. Tetramer-guided sorting by flow cytometer allowed isolation of melanoma-specific CTLs and confirmation of their specificity and their ability to lyse autologous tumor cells. Our results demonstrate the value of these novel reagents for monitoring tumor-specific CTL responses and for generating CTLs for adoptive immunotherapy. These data also indicate that strong CTL responses to melanoma often occur in vivo, and that the reactive CTLs have substantial proliferative and tumoricidal potential.

Using fluorescent HLA-A*0201 tetramers containing the immunodominant Melan-A/MART-1 (Melan-A) tumor-associated antigen (Ag), we previously observed that metastatic lymph nodes of melanoma patients contain high numbers of Ag-experienced Melan-A-specific cytolytic T lymphocytes (CTLs). In this paper, we enumerated and characterized ex vivo Melan-A-specific cells in peripheral blood samples from both melanoma patients and healthy individuals. High frequencies (>/=1 in 2,500 CD8(+) T cells) of Melan-A-specific cells were found in 10 out of 13 patients, and, surprisingly, in 6 out of 10 healthy individuals. Virtually all Melan-A-specific cells from 6 out of 6 healthy individuals and from 7 out of 10 patients displayed a naive CD45RA(hi)/RO(-) phenotype, whereas variable proportions of Ag-experienced CD45RA(lo)/RO(+) Melan-A-specific cells were observed in the remaining 3 patients. In contrast, ex vivo influenza matrix-specific CTLs from all individuals exhibited a CD45RA(lo)/RO(+) memory phenotype as expected. Ag specificity of tetramer-sorted A2/Melan-A(+) cells from healthy individuals was confirmed after mitogen-driven expansion. Likewise, functional limiting dilution analysis and interferon gamma ELISPOT assays independently confirmed that most of the Melan-A-specific cells were not Ag experienced. Thus, it appears that high frequencies of naive Melan-A-specific CD8(+) T cells can be found in a large proportion of HLA-A*0201(+) individuals. Furthermore, as demonstrated for one patient followed over time, dramatic phenotype changes of circulating Melan-A-specific cells can occur in vivo.

Dendritic cells (DCs) are potent antigen-presenting cells that initiate protective T-cell immunity in mice. To study the immunogenicity of DCs in humans, we injected 9 healthy subjects subcutaneously with a control injection of autologous monocyte-derived, mature DCs, followed 4–6 weeks later by DCs pulsed with keyhole limpet hemocyanin (KLH), HLA-A*0201–positive restricted influenza matrix peptide (MP), and tetanus toxoid (TT). Four more subjects received these antigens without DCs. Injection of unpulsed DCs, or antigens alone, failed to immunize. Priming of CD4+ T cells to KLH was observed in all 9 subjects injected with KLH-pulsed DCs, and boosting of TT-specific T-cell immunity was seen in 5 of 6 subjects injected with TT-pulsed DCs. Injection of antigen-pulsed DCs led to a severalfold increase in freshly isolated MP-specific, IFN-γ–secreting CD8+ T cells in all 6 HLA-A*0201–positive subjects, as early as 7 days after injection. When T cells were boosted in culture, there was an increase in MHC tetramer–binding cells and cytotoxic T cells after DC vaccination. These data provide the first controlled evidence of the immunogenicity of DCs in humans, and demonstrate that a single injection of mature DCs rapidly expands T-cell immunity.

Vitiligo is an autoimmune condition characterized by loss of epidermal melanocytes. Using tetrameric complexes of human histocompatibility leukocyte antigen (HLA) class I to identify antigen-specific T cells ex vivo, we observed high frequencies of circulating MelanA-specific, A*0201-restricted cytotoxic T lymphocytes (A2–MelanA tetramer+ CTLs) in seven of nine HLA-A*0201–positive individuals with vitiligo. Isolated A2–MelanA tetramer+ CTLs were able to lyse A*0201-matched melanoma cells in vitro and their frequency ex vivo correlated with extent of disease. In contrast, no A2–MelanA tetramer+ CTL could be identified ex vivo in all four A*0201-negative vitiligo patients or five of six A*0201-positive asymptomatic controls. Finally, we observed that the A2–MelanA tetramer+ CTLs isolated from vitiligo patients expressed high levels of the skin homing receptor, cutaneous lymphocyte-associated antigen, which was absent from the CTLs seen in the single A*0201-positive normal control. These data are consistent with a role of skin-homing autoreactive melanocyte-specific CTLs in causing the destruction of melanocytes seen in autoimmune vitiligo. Lack of homing receptors on the surface of autoreactive CTLs could be a mechanism to control peripheral tolerance in vivo.

Abstract Leukocyte activation can be negatively regulated by inhibitory receptors specific for MHC class I molecules. While one inhibitory receptor, Ig-like transcript 2 (ILT2), is expressed by all lymphoid and myelomonocytic cell types, other receptors display a more selective tissue distribution. Here we characterize an inhibitory receptor, termed ILT4, which is selectively expressed in monocytes, macrophages, and dendritic cells (DCs), binds classical class I molecules and the nonclassical class I molecules HLA-G, and transduces negative signals that can inhibit early signaling events triggered by stimulatory receptors. ILT4 may control inflammatory responses and cytotoxicity mediated by myelomonocytic cells and may modulate their Ag-presenting functions, focusing immune responses to microbial challenges and avoiding autoreactivity.

NY-ESO-1, a member of the cancer-testis family of antigens, is expressed in a subset of a broad range of different human tumor types. Patients with advanced NY-ESO-1-expressing tumors frequently develop humoral immunity to NY-ESO-1, and three HLA A2-restricted peptides were defined previously as targets for cytotoxic CD8(+) T cells in a melanoma patient with NY-ESO-1 antibody. The objectives of the present study were (i) to develop enzyme-linked immunospot (ELISPOT) and tetramer assays to measure CD8(+) T cell responses to NY-ESO-1, (ii) to determine the frequency of CD8(+) T cell responses to NY-ESO-1 in a series of HLA-A2 patients with NY-ESO-1 expressing tumors, (iii) to determine the relation between CD8(+) T cell and humoral immune responses to NY-ESO-1, and (iv) to compare results of NY-ESO-1 ELISPOT assays performed independently in two laboratories with T cells from the same patients. NY-ESO-1 ELISPOT and tetramer assays with excellent sensitivity, specificity, and reproducibility have been developed and found to correlate with cytotoxicity assays. CD8(+) T cell responses to HLA-A2-restricted NY-ESO-1 peptides were detected in 10 of 11 patients with NY-ESO-1 antibody, but not in patients lacking antibody or in patients with NY-ESO-1-negative tumors. The results of ELISPOT assays were concordant in the two laboratories, providing the basis for standardized monitoring of T cell responses in patients receiving NY-ESO-1 vaccines.