thumb|upright=1.5|Cortex en medulla van de thymus. thumb|upright=1.5|De thymusmedulla bevat verschillende afzonderlijke TEC-populaties. Thymuscoupes van wildtype muizen werden gekleurd met anti-K8-, -K5-, -MHC-II-antilichamen en UEA-1. Terwijl de K5-expressie grotendeels beperkt was tot de medulla (Figuur 1A, bovenste twee panelen), was K8 aanwezig in zowel de medulla als de cortex (Figuur 1A, bovenste en derde panelen). Bovendien, terwijl de meeste K5+ cellen ook K8 co-expressieerden (Figuur 1A, bovenste drie panelen), waren sommige cellen in de medulla alleen positief voor K8 (Figuur 1A, bovenste en derde panelen, stippellijnen). Op basis van de expressie van MHC-II, CD80/86, Aire en UEA-1-binding zijn drie populaties van mTECs gedefinieerd: onrijp, intermediair en rijp (Figuur 1B). Onrijpe mTECs brengen lage niveaus van MHCII/CD80/86 en UEA-1 tot expressie/binden deze (TEClaag), terwijl intermediaire en rijpe mTECs hoge niveaus van MHC-II/CD80/86 tot expressie brengen, hoge niveaus van UEA-1 binden (TEChi) en respectievelijk Aire- of Aire+ zijn (Figuur 1B). TEClow- en TEChi-cellen waren inderdaad aanwezig in de medulla van wildtype muizen, aangezien kleuring van thymuscoupes met anti-MHC-II-antilichaam en UEA-1 celpopulaties onthulde die lage en hoge niveaus van deze markers binden (Figuur 1A, onderste twee panelen). Onder de K5+K8+ medullaire cellen identificeerden we drie verschillende populaties op basis van MHC-II-co-expressie en UEA-1-binding: K8+K5+UEA-1+MHC-II+ (Figuur 1A, gesloten pijlen); K8+K5+UEA-1+MHCII- (Figuur 1A, open pijl); en K8+K5+UEA-1-MH-CII- cellen (Figuur 1A, pijlpuntjes). De heterogene kleuring van K8, K5, MHC-II- en UEA-1 suggereerde daarom het bestaan van verschillende afzonderlijke celsubtypen binnen het medullaire compartiment. Figuur 1C Er werden zeven populaties geïdentificeerd op basis van UEA-1-binding en MHC-II-expressie (linker dotplot) en zes populaties op basis van K5- en K8-expressieniveaus (rechter dotplot). Thymusepitheelcellen (Engels: Thymic epithelial cell (TECs)) zijn gespecialiseerde cellen met een hoge mate van anatomische, fenotypische en functionele heterogeniteit die zich bevinden in de buitenste laag (epitheel) van het steunweefsel van de thymus. Ze worden ook wel epithele reticulaire cellen of epithelioreticulaire cellen (ERC) genoemd. Ze worden ook gevonden in de bursa van Fabricius van vogels.
De thymus, als primair lymfoïde orgaan, bemiddelt de ontwikkeling en rijping van T-cellen. De thymusmicro-omgeving wordt gevormd door het TEC-netwerk, gevuld met thymocyten in verschillende ontwikkelingsstadia. TEC's en thymocyten zijn de belangrijkste componenten in de thymus, noodzakelijk voor de productie van functioneel competente T-cellen en zelftolerantie. Een disfunctie van TEC's veroorzaakt verschillende immuundeficiënties en auto-immuunziekten.
Thymusepitheelcellen spelen een cruciale rol in zelf-tolerantie. In tegenstelling tot alle andere bekende cellen produceren medullaire thymus-epitheelcellen eiwitten die geen functie hebben binnen de cel zelf. Deze eiwitten worden geproduceerd zodat ze door proteasomen in korte fragmenten kunnen worden gesplitst en vervolgens aan rijpende len in de thymus kunnen worden gepresenteerd via peptidebindende pockets van histocompatibiliteitsantigenen (MHC). Cruciaal is dat de selectie van geproduceerde eiwitten niet gericht, maar willekeurig is. Statistisch gezien wordt tot 5% van alle menselijke eiwitten in één enkele thymusepitheelcel geproduceerd. Met ongeveer 100 thymusepitheelcellen kunnen dus peptiden van alle eigen eiwitten van een persoon aan rijpende T-cellen in de thymus worden gepresenteerd. Deze bevinding ondersteunt de hypothese van centrale zelf-tolerantie.
Groepen De uiteindelijke anatomische locatie van de thymus wordt bereikt na 6 weken in de foetus. TEC's ontstaan uit niet-hematopoëtische cellen die gekenmerkt worden door negatieve expressie van CD45 en positieve expressie van EpCAM. Vervolgens worden TEC's verdeeld in twee fenotypisch en functioneel verschillende groepen met een verschillende locatie, cytokeratine-expressie, oppervlaktemarkers, rijpingsfactoren, proteasen en functie in de T-celselectie. Corticale thymusepitheelcellen (cTEC's) bevinden zich in de buitenste thymuscortex, in tegenstelling tot medullaire thymusepitheelcellen (mTEC's) die zich in de binnenste thymusmedulla bevinden. Zowel cTEC's als mTEC's spelen een rol bij het tot stand brengen van centrale en perifere tolerantie.
Centrale tolerantie (ook wel negatieve selectie genoemd) is het proces waarbij alle zich ontwikkelende T- en B-cellen die autoreactief zijn, dat wil zeggen reactief op het lichaam zelf, worden geëlimineerd. Door de eliminatie van autoreactieve lymfocyten zorgt tolerantie ervoor dat het immuunsysteem geen lichaamseigen peptiden aanvalt. Lymfocytenrijping (en centrale tolerantie) vindt plaats in primaire lymfoïde organen zoals het beenmerg en de thymus. Bij zoogdieren rijpen B-cellen in het beenmerg en T-cellen in de thymus. Perifere tolerantie is de tweede tak van immunologische tolerantie, na centrale tolerantie. Deze vindt plaats in lymfeklieren en weefsels anders dan de thymus en het beenmerg (nadat T- en B-cellen de primaire lymfoïde organen hebben verlaten). Het belangrijkste doel ervan is ervoor te zorgen dat zelfreactieve T- en B-cellen die aan de centrale tolerantie zijn ontsnapt, geen auto-immuunziekte veroorzaken.
cTEC's spelen een sleutelrol in de positieve selectie en mTEC's elimineren auto-reactieve thymocyten tijdens de negatieve selectie. Beide celtypen kunnen worden gedefinieerd en wederzijds worden onderscheiden door hun expressie van cytokinen, chemokinen, costimulerende moleculen en transcriptiefactoren, die een effect hebben op de ontwikkeling van thymocyten. TECs, gelegen in de corticomedullaire overgang, vormen twee typen cytokeratine: K5 en K8. Uit deze onrijpe voorlopercellen ontstaan K5+K8+ TECs, mTECs met een typische expressie van K5 en K14, en ook cTECs, gekenmerkt door de expressie van K8 en K18.
Rijping Rijping van medullaire thymus-epitheelcellen
De rijping van mTEC leidt tot de expressie van hoge niveaus van MHC-II, CD80, de auto-immuunregulator (Aire) en weefselspecifieke antigenen (TRA's). De expressie van cathepsine L en cathepsine S is ook typisch voor mTEC, vanwege de betrokkenheid van deze proteasen bij de negatieve selectie van T-cellen. Representatieve oppervlaktemarkers zijn UEA-1 en CD80. Na de rijping zetten mTEC's zich voort naar het terminale differentiatiestadium, dat gepaard gaat met het verlies van specifieke rijpingsfactoren (MHC-II, Aire, CD80, TRA) en de initiatie van involucrine-expressie, een marker voor terminaal gedifferentieerd epitheel. De resterende MHC-IIhoog CD80hoog, Aire+ mTEC-subgroep sterft door apoptose.
Rijping van corticale thymus-epitheelcellen
De rijping van cTEC wordt ook gemedieerd door een hoge expressie van MHC-II-moleculen, maar dit gaat gepaard met de proteasen β5t, cathepsine L en TSSP. Deze factoren spelen een rol bij de positieve selectie van T-cellen. Specifieke markers op het oppervlak van cTEC zijn Ly51 en CD205 en zelfs een groep van TEC's die de marker CD205 tot expressie brengen, vertegenwoordigen een van de onrijpe voorlopercellen: cTEC-gecommitteerde voorlopercellen.
Deze cellen worden ook wel thymus-epitheelvoorlopercellen (TEPC's) genoemd en ze tonen aan dat corticale en medullaire epitheelthymocyten een gemeenschappelijke oorsprong hebben in de postnatale thymus. Een cTEC-gecommitteerde voorlopercel kan zowel cTEC als mTEC genereren, in tegenstelling tot een mTEC-gecommitteerde voorlopercel, die alleen mTEC kan produceren. mTEC-gecommitteerde voorlopercellen worden beschreven door de expressie van claudine-3 en claudine-4, die geen componenten zijn van cTEC-nakomelingen.
Ontwikkeling van TEC's De eerste stappen in de ontwikkeling van TEC's worden gereguleerd door transcriptiefactoren (Hoxa3, Pax1/9, Eya1, Six1/4, Tbx1), waarvan de meeste voorkomen in postnatale cTEC's en onrijpe TEC's. De belangrijkste transcriptiefactor voor alle stadia van de TEC-ontwikkeling in de embryonale en postnatale thymus is Foxn1. Foxn1 reguleert het hele proces door de activering van zijn doelgenen via binding aan specifieke DNA-sequenties met behulp van zijn forkhead box-domein. Er zijn meer dan 400 door Foxn1 gereguleerde genen geïdentificeerd, waaronder cruciale loci voor TEC-differentiatie en -functie. De ontwikkeling van TEC vereist de activiteit van andere moleculen en transcriptieregulatoren, zoals proteïne 63 (p63) dat betrokken is bij de homeostase van verschillende epithele cellijnen, chromobox homoloog 4 (Cbx4) dat celproliferatie en -differentiatie reguleert, fibroblastgroeifactoren Fgf7 en Fgf10 die de expansie van TEC initiëren, TNFT, CD40, lymfotoxine β-receptor (LTβR) en de Hedgehog-signaleringsroute, die TEC-cellen in de foetale en postnatale thymus kunnen verminderen. Deze typische moleculen voor de ontwikkeling van TEC-voorlopercellen zijn grotendeels vergelijkbaar met en worden gedeeld met cTEC. De vroege stadia van cTEC vereisen ook een hoge expressie van Pax 1/9, Six1/4 en Hixa3, maar ze kunnen zich ook vormen in afwezigheid van NF-κB. Daarentegen is de ontwikkeling van mTEC afhankelijk van de aanwezigheid van Relb, NF-κB-signalen en de TNFR-superfamilie, maar kan deze ook plaatsvinden in afwezigheid van Foxn1.
Positieve en negatieve selectie thumb|upright=1.5|Proces van T-cel/thymocyt positieve en negatieve selectie in de thymus DP – dubbel positef SP – enkelvoudig positief cTEC – corticale thymusepitheelcellen mTEC – medullaire thymusepitheelcellen Treg – regulatoire T-cel
Positieve selectie
Dubbel negatieve (DN) T-cellen, als voorlopercellen met CD44- en CD25-expressie maar zonder CD4- en CD8-coreceptorexpressie, prolifereren en differentiëren tot dubbel positieve (DP) T-cellen. Deze CD4+ en CD8+ dubbel positieve T-cellen hebben al volledig gerecombineerde TCR's die getest worden op het herkennen van zelf- en niet-zelfmoleculen door MHC-I- en MHC-II-presentatie van zelfantigenen op de cTEC. Thymocyten die een adequate interactie aangaan met het MHC-complex, overleven en worden omgezet in CD4+ (T-helpercel) of CD8+ (cytotoxische T-cel) enkel positieve (SP) T-cellen, afhankelijk van het MHC-molecuul dat ze tegenkomen. Deze enkel positieve cellen migreren vanuit de cortex naar de medulla, waar het proces zich voortzet als negatieve selectie.
Negatieve selectie
Zonder negatieve selectie kunnen thymocyten niet reageren op T-celreceptor-activering door proliferatie, vanwege de kans op de aanwezigheid van auto-reactieve T-celklonen. Tijdens de negatieve selectie verwerven T-cellen het vermogen om potentieel zelfreactieve cellen te elimineren door middel van apoptose. Als TCR's dus een hoge of ongepaste affiniteit vertonen voor het zelfantigeen dat op mTEC's tot expressie wordt gebracht, zal de thymocyt worden vernietigd. mTEC's brengen een breed repertoire aan zelfpeptiden tot expressie, gepresenteerd op de MHC-moleculen. De medulla is ook belangrijk voor de implementatie van zelftolerantie, die wordt gemedieerd door CD4+CD25+Foxp3 nTreg-cellen. Natuurlijke regulatoire T-cellen (nTreg's) worden gekenmerkt door continue expressie van FoxP3 en door een T-celreceptor met een relatief hoge autoaffiniteit. De ontwikkeling van Foxp3 Treg-cellen wordt ondersteund door mTEC's tijdens de negatieve selectie, wanneer thymocyten T-celreceptor-specificiteiten hebben met een intermediaire affiniteit voor zelfantigenen.
Klinische betekenis thumb|left|upright=1.5|Primaire thymusepitheelcellen afkomstig van A-, AB- en B-thymomen. TEC's, als onderdeel van de thymus, spelen een cruciale rol in de ontwikkeling van thymocyten en zelf-tolerantie. Een disfunctie van TEC's veroorzaakt daarom veel auto-immuunziekten en tumoren die verband houden met immuundeficiënties. De meest frequent ontstane epithele tumoren uit TEC's en thymocyten zijn thymomen en thymuscarcinoom.