Abstract Cell–cell adhesion mediated by ICAM-1 and VCAM-1 is critical for T cell activation and leukocyte recruitment to the inflammation site and, therefore, plays an important role in evoking effective immune responses. However, we found that ICAM-1 and VCAM-1 were critical for mesenchymal stem cell (MSC)-mediated immunosuppression. When MSCs were cocultured with T cells in the presence of T cell Ag receptor activation, they significantly upregulated the adhesive capability of T cells due to the increased expression of ICAM-1 and VCAM-1. By comparing the immunosuppressive effect of MSCs toward various subtypes of T cells and the expression of these adhesion molecules, we found that the greater expression of ICAM-1 and VCAM-1 by MSCs, the greater the immunosuppressive capacity that they exhibited. Furthermore, ICAM-1 and VCAM-1 were found to be inducible by the concomitant presence of IFN-γ and inflammatory cytokines (TNF-α or IL-1). Finally, MSC-mediated immunosuppression was significantly reversed in vitro and in vivo when the adhesion molecules were genetically deleted or functionally blocked, which corroborated the importance of cell–cell contact in immunosuppression by MSCs. Taken together, these findings reveal a novel function of adhesion molecules in immunoregulation by MSCs and provide new insights for the clinical studies of antiadhesion therapies in various immune disorders.

Abstract Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) hold great promise for treating immune disorders because of their immunoregulatory capacity, but the mechanism remains controversial. As we show here, the mechanism of MSC-mediated immunosuppression varies among different species. Immunosuppression by human- or monkey-derived MSCs is mediated by indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), whereas mouse MSCs utilize nitric oxide, under the same culture conditions. When the expression of IDO and inducible nitric oxide synthase (iNOS) were examined in human and mouse MSCs after stimulation with their respective inflammatory cytokines, we found that human MSCs expressed extremely high levels of IDO, and very low levels of iNOS, whereas mouse MSCs expressed abundant iNOS and very little IDO. Immunosuppression by human MSCs was not intrinsic, but was induced by inflammatory cytokines and was chemokine-dependent, as it is in mouse. These findings provide critical information about the immunosuppression of MSCs and for better application of MSCs in treating immune disorders. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Mesenchymal stem cells (MSCs) have been employed successfully to treat various immune disorders in animal models and clinical settings. Our previous studies have shown that MSCs can become highly immunosuppressive upon stimulation by inflammatory cytokines, an effect exerted through the concerted action of chemokines and nitric oxide (NO). Here, we show that MSCs can also enhance immune responses. This immune-promoting effect occurred when proinflammatory cytokines were inadequate to elicit sufficient NO production. When inducible nitric oxide synthase (iNOS) production was inhibited or genetically ablated, MSCs strongly enhance T-cell proliferation in vitro and the delayed-type hypersensitivity response in vivo. Furthermore, iNOS−/− MSCs significantly inhibited melanoma growth. It is likely that in the absence of NO, chemokines act to promote immune responses. Indeed, in CCR5−/−CXCR3−/− mice, the immune-promoting effect of iNOS−/− MSCs is greatly diminished. Thus, NO acts as a switch in MSC-mediated immunomodulation. More importantly, the dual effect on immune reactions was also observed in human MSCs, in which indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) acts as a switch. This study provides novel information about the pathophysiological roles of MSCs.

Mammalian mesenchymal stem cells (MSCs) have been shown to be strongly immunosuppressive in both animal disease models and human clinical trials. We have reported that the key molecule mediating immunosuppression by MSCs is species dependent: indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) in human and inducible nitric oxide synthase (iNOS) in mouse. In the present study, we isolated MSCs from several mammalian species, each of a different genus, and investigated the involvement of IDO and iNOS during MSC-mediated immunosuppression. The characterization of MSCs from different species was by adherence to tissue culture plastic, morphology, specific marker expression, and differentiation potential. On the basis of the inducibility of IDO and iNOS by inflammatory cytokines in MSCs, the tested mammalian species fall into two distinct groups: IDO utilizers and iNOS utilizers. MSCs from monkey, pig, and human employ IDO to suppress immune responses, whereas MSCs from mouse, rat, rabbit, and hamster utilize iNOS. Interestingly, based on the limited number of species tested, the iNOS-utilizing species all belong to the phylogenetic clade, Glires. Although the evolutionary significance of this divergence is not known, we believe that this study provides critical guidance for choosing appropriate animal models for preclinical studies of MSCs.

An imbalance between normal adipogenesis and osteogenesis by mesenchymal stem cells (MSCs) has been shown to be related to various human metabolic diseases, such as obesity and osteoporosis; however, the underlying mechanisms remain elusive. We found that the interaction between osteopontin (OPN), an arginine-glycine-aspartate-containing glycoprotein, and integrin αv/β1 plays a critical role in the lineage determination of MSCs. Although OPN is a well-established marker during osteogenesis, its role in MSC differentiation is still unknown. Our study reveals that blockade of OPN function promoted robust adipogenic differentiation, while inhibiting osteogenic differentiation. Re-expression of OPN restored a normal balance between adipogenesis and osteogenesis in OPN(-/-) MSCs. Retarded bone formation by OPN(-/-) MSCs was also verified by in vivo implantation with hydroxyapatite-tricalcium phosphate, a bone-forming matrix. The role of extracellular OPN in MSC differentiation was further demonstrated by supplementation and neutralization of OPN. Blocking well-known OPN receptors integrin αv/β1 but not CD44 also affected MSC differentiation. Further studies revealed that OPN inhibits the C/EBPs signaling pathway through integrin αv/β1. Consistent with these in vitro results, OPN(-/-) mice had a higher fat to total body weight ratio than did wild-type mice. Therefore, our study demonstrates a novel role for OPN-integrin αv/β1 in regulating MSC differentiation.

ABSTRACT Tumor contexture has emerged as a major prognostic determinant and tumor infiltrating CD8 + T cells have been associated with a better prognosis in several solid tumors, including early-stage colorectal cancer (CRC). However, the tumor immune infiltrate is highly heterogeneous and understanding how the interplay between different immune cell compartments impacts on the clinical outcome is still in its infancy. Here, we describe in a prospective cohort a novel CD8 + T effector memory population, which is characterized by high levels of Granzyme K (GZMK high CD8 + T EM ) and is correlated with CD15 high tumor infiltrating neutrophils. We provide both in vitro and in vivo evidence of the role of stromal cell-derived factor 1 (CXCL12/SDF-1) in driving functional changes on neutrophils at the tumor site, promoting their retention and increasing the crosstalk with CD8 + T cells. Mechanistically, as a consequence of the interaction with neutrophils, CD8 + T cells are skewed towards a CD8 + T EM phenotype and produce high levels of GZMK, which in turn decreases E-cadherin pathway. The correlations of GZMK high CD8 + T EM and neutrophils with both tumor progression in mice and early relapse in CRC patients demonstrate the role of GZMK high CD8 + T EM in promoting malignancy. Indeed, a gene signature defining GZMK high CD8 + T EM was associated with worse prognosis on a larger independent cohort of CRC patients and a similar analysis was extended to lung cancer (TCGA). Overall, our results highlight the emergence of GZMK high CD8 + T EM in early-stage CRC tumors as a hallmark driven by the interaction with neutrophils, which could implement current patient stratification and be targeted by novel therapeutics.