Abstract Rapamycin is an immunosuppressive compound that is currently used to prevent acute graft rejection in humans. In addition, rapamycin has been shown to allow operational tolerance in murine models. However, a direct effect of rapamycin on T regulatory (Tr) cells, which play a key role in induction and maintenance of peripheral tolerance, has not been demonstrated so far. Here, we provide new evidence that rapamycin selectively expands the murine naturally occurring CD4+CD25+FoxP3+ Tr cells in vitro. These expanded Tr cells suppress proliferation of syngeneic T cells in vitro and prevent allograft rejection in vivo. Interestingly, rapamycin does not block activation-induced cell death and proliferation of CD4+ T cells in vitro. Based on this new mode of action, rapamycin can be used to expand CD4+CD25+FoxP3+ Tr cells for ex vivo cellular therapy in T-cell-mediated diseases. (Blood. 2005;105:4743-4748)

CD4+CD25+FOXP3+ T regulatory cells (Tregs) are pivotal for the induction and maintenance of peripheral tolerance in both mice and humans. Rapamycin has been shown to promote tolerance in experimental models and to favor CD4+CD25+ Treg-dependent suppression. We recently reported that rapamycin allows in vitro expansion of murine CD4+CD25+FoxP3+ Tregs, which preserve their suppressive function. In the current study, we show that activation of human CD4+ T cells from healthy subjects in the presence of rapamycin leads to growth of CD4+CD25+FOXP3+ Tregs and to selective depletion of CD4+CD25- T effector cells, which are highly sensitive to the antiproliferative effect of the compound. The rapamycin-expanded Tregs suppress proliferation of both syngeneic and allogeneic CD4+ and CD8+ T cells. Interestingly, rapamycin promotes expansion of functional CD4+CD25+FOXP3+ Tregs also in type 1 diabetic patients, in whom a defect in freshly isolated CD4+CD25+ Tregs has been reported. The capacity of rapamycin to allow growth of functional CD4+CD25+FOXP3+ Tregs, but also to deplete T effector cells, can be exploited for the design of novel and safe in vitro protocols for cellular immunotherapy in T cell-mediated diseases.

T helper 17 (Th17) cells are important for host defense against extracellular microorganisms. However, they are also implicated in autoimmune and chronic inflammatory diseases, and as such need to be tightly regulated. The mechanisms that directly control committed pathogenic Th17 cells in vivo remain unclear. We showed here that IL-17A-producing CD4+ T cells expressed interleukin-10 receptor α (IL-10Rα) in vivo. Importantly, T cell-specific blockade of IL-10 signaling led to a selective increase of IL-17A+IFN-γ⁻ (Th17) and IL-17A+IFN-γ+ (Th17+Th1) CD4+ T cells during intestinal inflammation in the small intestine. CD4+Foxp3⁻ IL-10-producing (Tr1) cells and CD4+Foxp3+ regulatory (Treg) cells were able to control Th17 and Th17+Th1 cells in an IL-10-dependent manner in vivo. Lastly, IL-10 treatment of mice with established colitis decreased Th17 and Th17+Th1 cell frequencies via direct signaling in T cells. Thus, IL-10 signaling directly suppresses Th17 and Th17+Th1 cells.

Type 1 T regulatory (Tr1) cells suppress immune responses in vivo and in vitro and play a key role in maintaining tolerance to self- and non-self-antigens. Interleukin-10 (IL-10) is the crucial driving factor for Tr1 cell differentiation, but the molecular mechanisms underlying this induction remain unknown. We identified and characterized a subset of IL-10-producing human dendritic cells (DCs), termed DC-10, which are present in vivo and can be induced in vitro in the presence of IL-10. DC-10 are CD14(+), CD16(+), CD11c(+), CD11b(+), HLA-DR(+), CD83(+), CD1a(-), CD1c(-), express the Ig-like transcripts (ILTs) ILT2, ILT3, ILT4, and HLA-G antigen, display high levels of CD40 and CD86, and up-regulate CD80 after differentiation in vitro. DC-10 isolated from peripheral blood or generated in vitro are potent inducers of antigen-specific IL-10-producing Tr1 cells. Induction of Tr1 cells by DC-10 is IL-10-dependent and requires the ILT4/HLA-G signaling pathway. Our data indicate that DC-10 represents a novel subset of tolerogenic DCs, which secrete high levels of IL-10, express ILT4 and HLA-G, and have the specific function to induce Tr1 cells.

T regulatory (Tr) cells are essential for the induction of peripheral tolerance. Several types of Tr cells exist, including CD4(+) T cells which express CD25 constitutively and suppress immune responses via direct cell-to-cell interactions, and type 1 T regulatory (Tr1) cells, which function via secretion of interleukin (IL)-10 and transforming growth factor (TGF)-beta. The relationship between CD25(+)CD4(+) T cells and Tr1 cells remains unclear. Here, we demonstrate at the clonal level that Tr1 and CD25(+)CD4(+) T cells are two distinct subsets of regulatory cells with different cytokine production profiles. Furthermore, CD25(-)CD4(+) T cells can be rendered anergic by IL-10 and differentiated into Tr1 cells in the absence of CD25(+)CD4(+) T cells. Cloned human CD25(+)CD4(+) T cell populations are heterogeneous and only a subset of clones continues to express high levels of CD25 and is suppressive. The intensity of CD25, cytotoxic T lymphocyte antigen (CTLA)-4, and glucocorticoid-induced tumor necrosis factor (TNF) receptor expression correlates with the suppressive capacity of the T cell clones. None of the CD25(+)CD4(+) T cell clones with suppressive function produce IL-10, but all produce TGF-beta. Suppression mediated by CD25(+)CD4(+) T cell clones is partially dependent on TGF-beta, but not on constitutive high expression of CD25. Together these data indicate that naturally occurring human CD25(+)CD4(+) T cells are distinct from IL-10-producing Tr1 cells.

The clinical diagnosis of new-onset type 1 diabetes has, for many years, been considered relatively straightforward. Recently, however, there is increasing awareness that within this single clinical phenotype exists considerable heterogeneity: disease onset spans the complete age range; genetic susceptibility is complex; rates of progression differ markedly, as does insulin secretory capacity; and complication rates, glycemic control, and therapeutic intervention efficacy vary widely. Mechanistic and immunopathological studies typically show considerable patchiness across subjects, undermining conclusions regarding disease pathways. Without better understanding, type 1 diabetes heterogeneity represents a major barrier both to deciphering pathogenesis and to the translational effort of designing, conducting, and interpreting clinical trials of disease-modifying agents. This realization comes during a period of unprecedented change in clinical medicine, with increasing emphasis on greater individualization and precision. For complex disorders such as type 1 diabetes, the option of maintaining the "single disease" approach appears untenable, as does the notion of individualizing each single patient's care, obliging us to conceptualize type 1 diabetes less in terms of phenotypes (observable characteristics) and more in terms of disease endotypes (underlying biological mechanisms). Here, we provide our view on an approach to dissect heterogeneity in type 1 diabetes. Using lessons from other diseases and the data gathered to date, we aim to delineate a roadmap through which the field can incorporate the endotype concept into laboratory and clinical practice. We predict that such an effort will accelerate the implementation of precision medicine and has the potential for impact on our approach to translational research, trial design, and clinical management.

OBJECTIVE Autoimmune diseases, including type 1 diabetes, are thought to have a Th17-cell bias and/or a T-regulatory cell (Treg) defect. Understanding whether this is a hallmark of patients with type 1 diabetes is a crucial question that is still unsolved, largely due to the difficulties of accessing tissues targeted by the disease. RESEARCH DESIGN AND METHODS We phenotypically and functionally characterized Th17 cells and Tregs residing in the pancreatic-draining lymph nodes (PLNs) of 19 patients with type 1 diabetes and 63 nondiabetic donors and those circulating in the peripheral blood of 14 type 1 diabetic patients and 11 healthy subjects. RESULTS We found upregulation of Th17 immunity and functional defects in CD4+CD25bright Tregs in the PLNs of type 1 diabetic subjects but not in their peripheral blood. In addition, the proinsulin-specific Treg-mediated control was altered in the PLNs of diabetic patients. The dysfunctional Tregs isolated from diabetic subjects did not contain contaminant effector T cells and were all epigenetically imprinted to be suppressive, as defined by analysis of the Treg-specific demethylated region within the forkhead box P3 (FOXP3) locus. CONCLUSIONS These data provide evidence for an unbalanced immune status in the PLNs of type 1 diabetic subjects, and treatments restoring the immune homeostasis in the target organ of these patients represent a potential therapeutic strategy.

Islet-reactive CD8 + T cells are common in the periphery, but home to the pancreas preferentially in the context of type 1 diabetes.

Neutrophils and their inflammatory mediators are key pathogenic components in multiple autoimmune diseases, while their role in human type 1 diabetes (T1D), a disease that progresses sequentially through identifiable stages prior to the clinical onset, is not well understood. We previously reported that the number of circulating neutrophils is reduced in patients with T1D and in presymptomatic at-risk subjects. The aim of the present work was to identify possible changes in circulating and pancreas-residing neutrophils throughout the disease course to better elucidate neutrophil involvement in human T1D.Data collected from 389 subjects at risk of developing T1D, and enrolled in 4 distinct studies performed by TrialNet, were analyzed with comprehensive statistical approaches to determine whether the number of circulating neutrophils correlates with pancreas function. To obtain a broad analysis of pancreas-infiltrating neutrophils throughout all disease stages, pancreas sections collected worldwide from 4 different cohorts (i.e., nPOD, DiViD, Siena, and Exeter) were analyzed by immunohistochemistry and immunofluorescence. Finally, circulating neutrophils were purified from unrelated nondiabetic subjects and donors at various T1D stages and their transcriptomic signature was determined by RNA sequencing.Here, we show that the decline in β cell function is greatest in individuals with the lowest peripheral neutrophil numbers. Neutrophils infiltrate the pancreas prior to the onset of symptoms and they continue to do so as the disease progresses. Of interest, a fraction of these pancreas-infiltrating neutrophils also extrudes neutrophil extracellular traps (NETs), suggesting a tissue-specific pathogenic role. Whole-transcriptome analysis of purified blood neutrophils revealed a unique molecular signature that is distinguished by an overabundance of IFN-associated genes; despite being healthy, said signature is already present in T1D-autoantibody-negative at-risk subjects.These results reveal an unexpected abnormality in neutrophil disposition both in the circulation and in the pancreas of presymptomatic and symptomatic T1D subjects, implying that targeting neutrophils might represent a previously unrecognized therapeutic modality.Juvenile Diabetes Research Foundation (JDRF), NIH, Diabetes UK.