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Aspergillus fumigatus is an opportunistic fungus known to cause a group of life-threatening infections collectively known as aspergillosis. In this thesis, multilocus sequence and microsatellite markers, among others, were used to study global and local A. fumigatus population structures. We examined the roles of sexual and asexual reproduction in the initiation of azole resistance globally. Furthermore, we investigated the origin of multi-triazole resistance in India and whether the use of fungicides on farms propagates resistance in environmental strains of clinical importance in Hamilton, Ontario. We characterized for the first time the A. fumigatus population in Cameroon while concomitantly screening for environmental resistance. Our results showed that sexual reproduction plays a key role in the development of triazole resistance globally. We found that multi-triazole resistance in India has multiple origins, which include mutational, recombinational and exotic origins. Our results provided little to no evidence that azole fungicides are the origin, or increase the frequency of triazole resistance in clinical A. fumigatus in Hamilton. Additionally, we identified a significantly unique A. fumigatus population in Cameroon. Our findings will potentially contribute towards developing effective long-term management strategies against aspergillosis. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Aspergillus fumigatus is a mold capable of causing severe infection in humans. Infections caused by A. fumigatus can often be treated using antifungals. However, there have been several reported cases of treatment failure around the world over the last two decades. Generally speaking, treatment failure in patients is often associated with antifungal resistance in A. fumigatus. My thesis aims at better understanding the distribution and investigating the origin of resistance in A. fumigatus at both global and local levels. Here, we analyze A. fumigatus strains from 15 countries, including strains from Hamilton, Ontario. Our findings will potentially contribute towards establishing effective long-term management strategies against A. fumigatus infections locally and globally.

Asthma is a common chronic inflammatory condition which affects over 300 million people worldwide. Thickening of the subepithelial layer is a key feature of asthmatic airways and the extent of thickening has been correlated with severity of asthma and increased exacerbations. Recent epidemiological studies have shown a link between fungal sensitisation primarily with Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) and exacerbations of asthma leading to increased morbidity and mortality. The airway epithelium acts as an initial defence barrier to inhaled allergens such as A. fumigatus and emerging evidence suggests that as well as orchestrating an allergic immune response, it initiates aspects of airway wall remodelling including subepithelial thickening. However, induction of a profibrogenic response by the airway epithelium following exposure to inhaled fungi associated with severe asthma has not been well documented. The epithelial expression and production of the profibrotic growth factors, TGF-β1, TGF-β2, IL-6, endothelin-1 and periostin, selected as implicated in the aetiology of asthma and their profibrotic activity, were investigated in response to both A. fumigatus spores and culture filtrate in vitro. Furthermore, in vivo chronic inhalation models using either live spores or culture filtrate from two different strains of A. fumigatus (AF293 and CEA10) were used to determine the ability of the fungi to induce murine airway wall remodelling. In vitro, spores from both strains were able to induce the expression and production of IL-6 and endothelin-1 from human bronchial epithelial cells but none of the other profibrotic growth factors. In vivo, despite spores from both strains inducing expression and production of IL-6 and endothelin-1, only CEA10 spores caused significant subepithelial collagen deposition however, both strains induced α-SMA, a myofibroblast and smooth muscle marker around the airways. As a secreted factor was suspected of driving airway wall remodelling, subsequent studies used culture filtrate produced by the two strains, AF293, a low and CEA10, a high protease producer in basal medium. Only AF293 culture filtrate induced IL-6 and endothelin-1 from human bronchial epithelial cells in vitro. However, in vivo, culture filtrate from both strains was able to induce IL-6 and endothelin-1 expression, with AF293 causing a more profound subepithelial collagen deposition and significantly increased α-SMA abundance. It was hypothesised that epithelial-derived endothelin-1 drives airway wall remodelling and hence Endothelin receptor A was inhibited in the in vivo culture filtrate inhalation model. A significant reduction in subepithelial collagen deposition and α-SMA localisation around the airways was demonstrated in mice receiving an Endothelin receptor A antagonist compared with culture filtrate alone. This thesis indicates that A. fumigatus exposure can drive features of airway wall remodelling such as subepithelial fibrosis possibly through the epithelial production of profibrotic growth factor, endothelin-1.

Invasive aspergillosis (IA) is associated with high mortality rates and can be difficult and expensive to treat with current drugs. The drugs used to treat IA are also associated with undesirable, and often severe, side-effects of the patient. The main causative agent of this disease is the opportunistic pathogen Aspergillus fumigatus. This study identifies genes which play a role in a fungal-specific type of programmed cell death (PCD) in A. fumigatus, known as heterokaryon incompatibility. The development of drugs specifically targeting the products of these genes could lead to fewer side-effects than those arising from currently available anti-fungal drugs. The drug amphotericin B is currently used to treat IA and has been shown to induce an apoptotic-like phenotype in A. fumigatus; however, the sterols targeted are present in both fungal and mammalian cell membranes. HI is a fungal-specific self/non-self recognition system that results in rapid compartmentalisation and cell death of hyphal fusion sites if the two fusing fungi are not genetically compatible. The HI system could be exploited as a novel drug target against invasive fungal pathogens through targeting a component of the molecular pathway to induce cell death. In contrast to current drugs, novel drugs could target HI components to induce PCD without affecting non-desirable targets that cause side-effects. The non-self recognition systems used by Neurospora crassa, Aspergillus Nidulans and Podospora anserina are the well characterised, and they each differ significantly in their modes of action. BLAST searches found 30 homologues of HI genes from other the systems of characterised species in A. fumigatus, with 8 containing the fungal-specific het domain. The first assay to determine whether disruption of het genes could affect HI was to observe the barrage phenotype between incompatible A. fumigatus individuals. However, there was no barrage visible as the leading edge of colonies stopped growing when in close proximity to another colony. Instead, nitrate non-utilising (Nit) A. fumigatus mutant strains were generated using chlorate and pair-wise crosses of 46 environmentally and clinically isolates on nitrate-containing media resulted in the formation of 16 viable heterokaryons. All of the heterokaryons fell into exclusive compatibility groups where no intergroup crossing was possible. Homologous recombination was used to disrupt five of the identified het domain genes with gene replacement cassettes, generated through fusion-PCR, in an akuB(KU80Delta) A. fumigatus strain. The mutant strains displayed both detrimental growth on standard agar growth media and reduced ability to recognise non-self strains. Full and partial heterokaryons were formed during intergroup pair-wise compatibility crosses using the mutants and strains that the akuB(KU80Delta) parent strain was previously incompatible with. This was followed with a non-bias approach of gene disruption using the Fusarium oxysporum impala160 transposable element in a Nit A. fumigatus mutant. Inducing transposon mutagenesis through exposure to low temperature generated a mutant library of spores in which the transposon had disrupted different open reading frames at different locations across the A. fumigatus genome. The mutant spore library was also screened for the ability to form viable intergroup heterokaryons with strains belonging to different compatibility groups. PCR recovery and DNA sequencing was able to identify the locus of impala160 in three isolates able to form viable heterokaryons. The sequences revealed the transposable element had disrupted the same gene, AFUA_2G05070, in each of the three isolates. This gene encodes an uncharacterised conserved hypothetical protein which may be a critical component for non-self recognition in A. fumigatus HI, and a potential target for novel anti-fungal drugs to induce PCD.

Durch die Immunsuppression bei Patienten nach Stammzell- oder Organtransplantation erhöht sich das Risiko für opportunistische Infektionen wie invasive Aspergillose (IA). IA wird hauptsächlich durch den Schimmelpilz Aspergillus fumigatus, der durch die Luft übertragen wird, verursacht. Deshalb haben Erkennung und Therapie von IA in den letzten Jahren eine immer größere Bedeutung erlangt. Für eine erfolgreiche Behandlung sind die Mechanismen des Immunsystems nach Kontaktaufnahme mit dem Pathogen von zentraler Bedeutung. Die Erstinfektion mit A. fumigatus findet in der Lunge statt. Als Bewohner der Alveolen wurden deshalb dendritische Zellen (DCs) auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, das Immunsystem anzuregen. DCs besitzen vor allem die wichtigen Aufgaben, das Immunsystem zu modulieren und T-Lymphozyten zur Proliferation anzuregen. Ein Großteil dieser Arbeit befasst sich mit der Analyse des Einflusses des Immunsuppressivums 40-0-[2-Hydroxyethyl]rapamycin (RAD) auf neutrophile Granulozyten und auf die in vitro Generierung von moDCs sowie deren Fähigkeit mit dem Pathogen A. fumigatus zu interagieren. RAD bindet an das zytosolische FK506 bindende Protein (FKBP12), wodurch die Kinase mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibiert und somit die T-Zellantwort unterdrückt wird. Klinische Anwendung findet RAD bereits, um eine Immunsuppression bei Patienten nach Stammzell- oder Organtransplantation zu erhalten. Der oxidative Burst neutrophiler Granulozyten war nach RAD-Behandlung und Konfrontation mit A. fumigatus signifikant verringert. Die Generierung der moDCs aus Monozyten erfolgte über 7 Tage, wobei ab dem Tag der Isolation der Monozyten 10 nM RAD oder EtOH zur Kontrolle hinzugegeben wurde. RAD zeigte vielfältige Effekte auf die Immunfunktion dendritischer Zellen. Obwohl sich keine Änderung in der Differenzierung der moDCs fand, was durch die Oberflächenmarker CD1a+, CD14- und HLA-DR+ überprüft wurde, zeigte sich eine signifikante Reduktion der Rezeptoren TLR4 und Dectin-1 sowie der kostimulatorischen Moleküle CD40, CD83 und CD86. Nach Konfrontation mit A. fumigatus verblieb CD40 unter RAD Behandlung signifikant reduziert, während CD83 genau dieses Schema als Trend aufwies. Ferner wies CD86 sowohl in der Kontrolle als auch mit RAD-Behandlung die gleiche Expression auf. Nach 6 h Konfrontation der moDCs mit A. fumigatus waren die Zytokine IL-12, TNF-α und CCL20 auf Genexpressionsebene unter RAD reduziert, was sich auf Proteinebene teilweise bestätigen ließ, da sich hier erst nach 12 h eine signifikante Reduktion von IL-12, TNF-α und CCL20 in RAD-behandelten Zellen im Vergleich zu Kontrollzellen zeigte. Des Weiteren war das anti-inflammatorische Zytokin IL-10 signifikant reduziert. Die Phagozytose sowohl von FITC-Dextran-Beads als auch von A. fumigatus Konidien und zugleich die Schädigung von A. fumigatus Keimschläuchen war in unreifen RAD-behandelten moDCs signifikant reduziert. Ob moDCs, die mit RAD behandelt wurden, schlechter in der Lage waren, CD8+-T-Lymphozyten zur Proliferation anzuregen, geht nicht mit Sicherheit aus dieser Studie hervor, da große spenderabhängige Unterschiede auftraten. Es wurde zudem ein Vergleich von in vitro aus Monozyten differenzierten DCs (moDCs) und myeloiden DCs (mDCs) angefertigt. Mittels eines home-made Microarrays, der vor allem Gene mit einschloss, die für Zytokine und Rezeptoren von Immunzellen kodieren, konnten in einem Modell der frühen IA in der Lunge differentiell regulierte Gene nach Konfrontation mit A. fumigatus identifiziert werden. Es wurden insgesamt 30 Gene mehr als 2-fach reguliert, wie zum Beispiel die Interleukine und Chemokine IL-1β, IL-8, CXCL2, CCL3, CCL4 und CCL20, der Immunrezeptor PTX3 und der Transkriptionsfaktor Nf-κB. Generell konnte beobachtet werden, dass moDCs mehr regulierte Gene aufwiesen als mDCs. Zuletzt wurde betrachtet, ob der Knock-down von CXCL10, dessen Fehlen ein erhöhtes Risiko für IA nach sich zieht, einen Einfluss auf moDCs hat, so dass sie schlechter auf A. fumigatus reagieren können. Diese Hypothese konnte in dieser Studie nicht bestätigt werden, da kein Unterschied in der Zytokinproduktion oder Expression kostimulatorischer Moleküle zwischen Kontroll-moDCs und moDCs, in denen das CXCL10-Gen ausgeschaltet wurde, festgestellt werden konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Microarray-Analyse wichtige Gene in moDCs und mDCs identifizierbar waren, die nach Konfrontation mit A. fumigatus reguliert wurden. Zudem fanden sich lediglich minimale Unterschiede zwischen artifiziellen DCs und myeloiden DCs, die direkt aus dem Körper isoliert wurden. Eine Behandlung mit RAD erhöht das Risiko eines Patienten an invasiver Aspergillose zu erkranken unabhängig von der Eigenschaft des RAD, die Proliferation von T-Lymphozyten zu inhibieren. / Following a stem cell or solid organ transplant immunosuppressed patients have an increased risk of developing opportunistic infections such as invasive aspergillosis (IA), which is mainly caused by the most prevalent airborne mold, Aspergillus fumigatus. The diagnosis and therapy of IA have become increasingly relevant in recent years, making it essential to understand the mechanisms of the immune system. The infection generally spreads from the lung. Dendritic cells (DCs), whose major task is to activate T-lymphocytes, were therefore investigated for their ability to influence the immune system. 40-0-[2-Hydroxy-ethyl]rapamycin (RAD), a novel immunosuppressive drug, was analysed for its in vitro influence on the interaction of neutrophils and monocyte-derived dendritic cells (moDCs) with the pathogenic mould, A. fumigatus. RAD acts by bonding with the cytosolic FK506 binding protein (FKBP12) causing inhibition of the lipid kinase mammalian target of rapamycin (mTOR) which in turn results in the repression of T-cell activation. It is clinically used to prevent graft-versus-host disease or the rejection of solid organ and bone marrow transplants. RAD-treatment significantly decreased the oxidative burst of neutrophils after confrontation with A. fumigatus. moDCs were derived from monocytes through culture with granulocyte-macrophage colony-stimulating factor and interleukin-4 in the presence or absence of 10 nM RAD. Although there was no difference in the expression of the surface markers CD1a+, CD14- and HLA-DR+, RAD had various modulating effects on the immune function of moDCs. It reduced the expression of innate immunity receptors (TLR4 and dectin-1) and impaired the maturation capacity of moDCs as was observed in the reduction of co-stimulatory factors (CD40, CD83 and CD86). CD40 remained significantly reduced even after treatment with A. fumigatus, while CD83 only exhibit a downstream trend and CD86 did not stay reduced. RAD treatment significantly reduced the cytokine expression levels of IL-12, TNF-α, and CCL20 after 6 h stimulation of the moDCs with the mold. This was to some extent confirmed at protein level, where the same cytokines as well as IL-10 were significantly reduced in RAD-treated moDCs by comparison with reference cells after 12 h of stimulation with A. fumigatus. The phagocytosis and binding rate of dextran beads and conidia as well as the damage to A. fumigatus germ tubes were significantly reduced in DCs treated with the agent. It cannot be determined for certain whether moDCs under RAD-treatment were also less able to activate CD8+-Tlymphocytes because of the wide donor related discrepancies that they displayed. A home-made RNA microarray, which included genes coding for cytokines and receptors of immune cells, was used to identify several differentially regulated genes after confrontation with A. fumigatus. Furthermore, a comparison between monocyte-derived dendritic cells (moDCs) and myeloid dendritic cells (mDCs) was performed, revealing that only a few genes were regulated more than 2-fold and that fewer of these genes occured in mDCs than in moDCs. Among them were genes, such as the cytokines IL-1β, IL-8, CXCL2, CCL3, CCL4 and CCL20, the immune receptor PTX3 and the transcription factor Nf-κB. Finally, it was investigated whether the knock-down of the CXCL10-gene in moDCs potentially impaired the response of the immune cells to A. fumigatus. It is proven that the lack of CXCL10 results in a higher risk of IA. However, there was no difference in the cytokine production or the expression of co-stimulatory factors in control moDCs compared to moDCs treated with CXCL10 siRNA. In conclusion, important genes which had been up-regulated after confrontation with A. fumigatus in moDCs and mDCs, were successfully identified. Moreover, treatment with RAD during the generation of moDCs had a considerable effect on the ability of these cells to kill A. fumigatus and modulate the immune response. RAD treatment could thus increase the patient's risk of contracting invasive aspergillosis regardless of the drug's capacity to inhibit T-cell activation.

Die asexuellen Sporen von Aspergillus fumigatus sind ubiquitär verbreitete Luftkeime. Als Saprophyt ist dieser opportunistisch humanpathogene Pilz darauf spezialisiert, polymere Substanzen aus dem umgebenden Milieu zu zersetzen, um daraus die von ihm benötigten Nährstoffe zu generieren und aufzunehmen. Die Fähigkeit, verschiedene Stickstoff- und Kohlenstoffquellen zu verwerten, trägt dabei zu seiner Virulenz bei und hierbei scheint die extrazelluläre Proteolyse eine wichtige Rolle zu spielen. Sekretierte Proteasen, die das umgebende Gewebe während einer Infektion mit A. fumigatus erschließen, könnten somit zu dessen Pathogenität beitragen. Dementsprechend sollte im Rahmen dieser Arbeit die Bedeutung einer Regulation der extrazellulären proteolytischen Aktivität von A. fumigatus für dessen Virulenz untersucht werden. Dies geschah durch Untersuchungen eines konservierten Transkriptionsfaktors, PrtT. Dabei stellte sich heraus, dass PrtT die Expression der drei Hauptproteasen von A. fumigatus, Alp, Mep und Pep stark beeinflusst, in einem murinen Tiermodell der pulmonaren Aspergillose scheint dieser Regulator jedoch keine Rolle für die Pathogenität von A. fumigatus zu spielen. Um einen weiteren Aspekt des pilzlichen Aminosäurestoffwechsels zu beleuchten, wurde die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren als mögliche Virulenzdeterminate untersucht. Für den Menschen sind diese Aminosäuren essentiell, weshalb dieser Syntheseweg ein mögliches Ziel für antimykotische Substanzen darstellen könnte. Es konnten mehrere für A. fumigatus essentielle Komponenten des Shikimatweges identifiziert werden, des Weiteren wurden Deletionsmutanten in den Genen aroC und trpA, die für die Chorismatmutase bzw. Anthranilatsynthase der Biosynthese von Phenylalanin und Tyrosin bzw. Tryptophan kodieren, erzeugt und phänotypisch charakterisiert. Deren Untersuchung in einem alternativen Tiermodell der Aspergillose zeigte eine deutlich attenuierte Virulenz. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren für das Wachstum von A. fumigatus ist, und dass ein Eingriff in diesen Syntheseweg eine lohnende Strategie zur Entwicklung neuer Antimykotika sein könnte. Die hier präsentierten Ergebnisse unterstreichen die für den Schimmelpilz A. fumigatus typische Redundanz bezüglich extrazellulärer proteolytischer Enzyme und dass diese nur bedingt hinsichtlich ihres Virulenzbeitrags untersucht werden können. Im Gegensatz hierzu lassen sich bestimmte Stoffwechselwege, die oftmals durch einzigartige Genprodukte katalysiert werden, unter Umständen besser als unspezifische aber vielversprechende Virulenzdeterminanten identifizieren. / The air-borne spores of Aspergillus fumigatus are ubiquitously distributed. As a saprophyte, this fungus is well adapted to feed from the environment by degradation of polymeric substances and uptake of breakdown products. The nutritional versatility has to be regarded as virulence determinant in the development of pulmonary aspergillosis. Secreted proteolytic activities that degrade the surrounding lung tissue during infection may contribute to pathogenicity. Until now, knowledge on the regulation of the expression and secretion of proteases by A. fumigatus is scarce. Therefore, the role of extracellular proteolytic activity for pathogenicity of A. fumigatus was examined by characterisation of a global regulatory factor, PrtT, that acts on expression of secreted proteases. It could be shown that PrtT regulates the transcription of the major secreted proteases Alp, Mep and Pep. When tested in a leukopenic mouse model, the deletant strain is not attenuated in virulence, suggesting that the PrtT transcription factor - and accordingly extracellular proteolysis - supports virulence of this opportunistic pathogen only to a limited extent. To gain insight into the fungal biosynthesis pathway of amino acids, the aromatic amino acid biosynthesis was investigated concerning the aspect of a virulence determinant. In contrast to mammals, fungi are able for de novo synthesis of the aromatic amino acids. Therefore it might be a usable target for antifungal therapy since such pathway does not exist in humans. Some genes of the shikimate pathway could be shown to be essential for the survival of A. fumigatus. Virulence tests of strains with deletion of the genes aroC or trpA which encodes for the chorismate mutase and anthranilate synthase respectively, showed attenuated virulence of both strains. These results clarify the stringent necessity of the aromatic amino acid biosynthesis for the survival of A. fumigatus, concluding this biosynthesis pathway as a usable target for antimycotic substances. The results of this work emphasise the redundancy of extracellular proteolytic activities. In contrast specific pathways which are mostly catalysed by unique gene products may be identified as virulence determinant rather than unspecific factors.

The field of microRNA research has gained enormous significance during recent years. Current studies have shown that microRNAs play an important role in many biological processes via posttranscriptional gene regulation. This also applies for the TLR-mediated recognition of pathogens by immune cells. Among others, the microRNAs miR-132, miR-146a and miR-155 have been characterized by various authors. However, the specific role of microRNAs in the defense against fungal infections by Aspergillus fumigatus has not been investigated so far, although this ubiquitous mold causes severe infections in immuno-compromised patients. As dendritic cells play a pivotal part in the in vivo recognition of A. fumigatus, the present study investigates the reaction of these cells to A. fumigatus and other pathogens on the microRNA level. For this purpose, dendritic cells were incubated with different forms of A. fumigatus and other pathogens for up to twelve hours. Subsequently, the expression of miR-132, miR-146a and miR-155 was quantified by real-time PCR. Levels of miR-132 in dendritic cells were significantly increased after stimulation with living germ tubes of A. fum, but showed no change after treatment with LPS. Relative expression level of miR-146a was moderately elevated upon stimulation with LPS, but did not respond to co-cultivation with living germ tubes. MiR-155 was highly induced by both stimuli. These results show, that dependent on the stimulus, microRNAs are differentially regulated in dendritic cells. Among the tested microRNAs, miR-155 showed the strongest and most stable expression values. Therefore, further experiments focused on this mircoRNA. It was shown, that the up-regulation of miR-155 is dependent on the germination stage of the fungus. Induction of miR-155 was low with conidia, moderate with hyphae and high with germ tubes. The extent of miR-155 induction also corresponded with the multiplicity of infection (MOI), with higher MOIs triggering a stronger miR-155 response. These results suggest that miR-132 and miR-155 play an important role in the immunologic reaction of DCs against A. fumigatus and that a further characterization of these microRNA, especially with respect to their specific function in DCs, could contribute to the understanding of the biological mechanisms of Aspergillosis. / Die Erforschung von MicroRNAs gewinnt zunehmend an Bedeutung. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass MicroRNAs an der Regulation vieler biologischer Prozesse beteiligt sind, indem sie in die posttranskriptionelle Genregulation eingreifen. Dies betrifft auch die TLR-vermittelte Erkennung von Pathogenen durch Immunzellen. Hierbei wurden u.a. die MikroRNAs miR-132, miR-146a und miR-155 von verschiedenen Autoren charakterisiert. Die spezielle Rolle von MikroRNAs bei der Abwehr von Pilzinfektionen durch Aspergillus fumigatus ist bisher allerdings kaum untersucht, obwohl dieser ubiquitär vorkommende Schimmelpilz häufig schwere Infektionen bei immunsupprimierten Patienten auslöst. Da in vivo den dendritischen Zellen eine entscheidende Rolle bei der Erkennung von A. fumigatus zukommt, wurde in der vorliegenden Arbeit die Reaktion dieser Zellen auf A. fumigatus und andere Pathogene auf MikroRNA Ebene untersucht. Dazu wurden dendritische Zellen mit verschiedenen Formen von A. fumigatus und LPS über Zeiträume von bis zu zwölf Stunden stimuliert. Anschließend wurde die Expression von miR-132, miR-146a und miR-155 mittels Real-Time PCR bestimmt. Dabei zeigte sich, dass nach Stimulation mit A. fumigatus die miR-132 Level in dendritischen Zellen deutlich anstiegen, wohingegen eine Inkubation mit LPS keinen Einfluss auf diese MicroRNA hatte. Die relative Expression von miR-146a war nach Stimulation mit LPS leicht erhöht, zeigte allerdings keine Veränderung nach Ko-Kultur mit A. fumigatus. Die Expression von miR-155 wurde durch beide Stimuli stark induziert. Diese Ergebnisse zeigen, dass abhängig vom Stimulus eine differentielle Expression von MicroRNAs in dendritischen Zellen stattfindet. Unter den drei untersuchten MicroRNAs, zeigte miR-155 die höchsten und stabilsten Expressionswerte. Daher wurde der Schwerpunkt weiterer Experimente auf diese MicroRNA gesetzt. Dabei ergab sich, dass das Ausmaß der miR-155 Induktion vom Entwicklungsstadium des Pilzes abhängig ist. Konidien von A. fumigatus führten lediglich zu einer schwachen Hochregulation von miR-155, wohingegen Hyphen und insbesondere Keimschläuche ein starke Induktion von miR-155 verursachten. Die Dynamik der miR-155 Hochregulation korrelierte außerdem mit der multiplicity of infection (MOI), wobei eine höhere MOI mit einer stärkeren miR-155 Antwort einherging. Die dargestellten Ergebnisse legen nahe, dass miR-132 und miR-155 eine wichtige Rolle bei der Immunreaktion von DCs gegen A. fumigatus spielen und eine weitere Charakterisierung dieser MicroRNAs v.a. im Hinblick auf ihre spezielle Funktion in DCs einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der biologischen Grundlagen der Aspergillosen erbringen könnte.

Der humanpathogene Pilz Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) kann in immunsupprimierten Patienten zum Teil schwere invasive Infektionen auslösen. Trotz Fortschritten in den Behandlungsmöglichkeiten und der medikamentöser Prophylaxe bleibt die Sterblichkeitsrate bei invasiven Erkrankungen hoch. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von spezifischeren Immuntherapien von Nöten. Ein Ansatz ist die genetische Modifikation von T Zellen, durch den Transfer von A. fumigatus spezifischen T Zell Rezeptoren (TCRs), für eine adoptive Therapie. Um dieses Konzept zu evaluieren wurden TCRs, die für die extrazellulären Zellwandglykonase Crf1 (Crf1/p41) spezifisch sind, auf primäre T Zellen transferiert und die Effektor-Funktion analysiert. Das Crf1/p41 Epitop induziert bei gesunden Spendern eine funktionelle TH1 Immunantwort gegen A. fumigatus und führt zur Produktion hoher Mengen von Interferon γ (IFN-γ). Für die Identifikation von A. fumigatus spezifischen TCRs wurden siebenunddreißig Crf1/p41 spezifische T Zellklone von drei HLA DRB1*04 Spendern generiert. Anschließend wurden die TCR β Ketten über die sehr variable komplementaritätsbestimmende Region 3 (CDR3) bestimmt. Es konnten zwölf unterschiedliche TCRs ermittelt werden, von denen vor allem die variablen β (Vβ) Kette 18 sehr dominant, während die Vβ Ketten 1 und 6 nur in wenigen Klonen vertreten waren. Zur weiteren Charakterisierung der Crf1/p41 spezifischen TCRs wurden die variablen α (Vα) Ketten bestimmt (Vα 3, Vα 15 und Vα 26). Somit liegt eine polyklonale T Zell Immunantwort vor. Anschließend wurden die Crf1/p41 spezifischen TCRs in den retroviralen Vektor pMP71 kloniert und auf Jurkat 76 Zellen, welche keinen endogenen TCR exprimieren, und auf primäre CD4+ T Zellen transferiert. Die Expression von Crf1/p41 spezifischen TCRs, transduziert in CD4+ T Zellen, zeigten spenderspezifische Unterschiede und die Expression war niedriger im Vergleich zu den transduzierten Jurkat 76 Zellen. Daher wurde auf Optimierungsstrategien zurückgegriffen, die für den adoptiven Transfer mit TCR-modifizierten T Zellen zur Behandlung von Krebs entwickelt wurden. Angewandt wurden die Codonoptimierung der TCR codierenden Sequenz, Murinisierung der TCR konstanter Ketten, Induktion einer weiteren Disulfidbrücke. Ebenfalls wurde das Vektorsystem optimiert. Der Optimierungsprozess der Crf1/p41 spezifischen TCR 1 führte zu einer erhöhten Oberflächenexpression des TCR sowohl in Jurkat 76 (3 bis 5fach) als auch in primären CD4+ T Zellen (2fach). In funktionellen Analysen wurde die Proliferationsfähigkeit und IFN-γ Produktion, durch die Stimulation von transduzierten CD4+ T Zellen (TCR 1 optimiert) mit Crf1/p41 beladenen dendritischen Zellen (DCs), bestätigt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass der Transfer von A. fumigatus spezifischen TCRs eine protektive anti-fungale Immunantwort fördern könnte. Demzufolge auch als ein geeignetes Mittel in einer potentiellen Immuntherapie gegen A. fumigatus Infektionen in immunsupprimierten Patienten, eingesetzt werden könnte. / The human pathogenic fungus Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) can cause severe invasive infections in immunosuppressed patients. Despite progresses in the treatment and prophylaxis of invasive infections the mortality rate remains high. On that account the development of a more specific immune therapy seems necessary. One approach is genetic modification of T cells by transfer of A. fumigatus specific T cell receptors (TCR) for an adoptive therapy. To evaluate this concept, TCRs specific for a peptide derived from extracellular cell wall glucanase Crf1 (Crf1/p41) were transferred to primary T cells. Than their effector function was analyzed. In healthy donors the epitope Crf1/p41 induces a functional TH1 immune response towards A. fumigatus combined with a high Interferon-γ (IFN-γ) production. To identify A. fumigatus specific TCRs, thirty-seven Crf1/p41 specific T cell clones were generated from three HLA-DRB1*04 positive healthy donors. Afterwards, the TCR β chains were analyzed by sequencing the most variable complementarity determining region 3 (CDR3). Twelve different TCRs were detected whereas variable β (Vβ) 18 was very dominant, and Vβ 1 and Vβ 6 were present only in some clones. For further characterization of Crf1/p41 specific TCRs, variable α (Vα) chains were identified (Vα 3, Vα 15 and Vα 26). Thus, the T cell response is polyclonal. Subsequently Crf1/p41 specific TCRs were cloned into the retroviral vector pMP71 and transduced into Jurkat 76 cells that lack the expression of endogenous TCR, and into primary CD4+ T cells. The expression of Crf1/p41 specific TCR transduced in CD4+ T cells was donor-dependent and the expression was lower compared to transduced Jurkat 76 cells. Consequently, optimizing strategies engineered for TCR-modified adoptive T cell transfer in cancer therapy were used to induce a higher TCR expression on T cells. Those strategies include codon-optimization of the TCR coding sequence, murinization of constant chains of TCR, induction of an additional disulfide bond. Additionally the vector system was optimized. The optimization process of Crf1/p41 TCR 1 led to a higher surface expression in Jurkat 76 (3-5x) and primary CD4+ T cells (2x). Functional analyses revealed proliferation and IFN-γ production after the stimulation of transduced CD4+ T cells (TCR 1 optimiert) with Crf1/p41 pulsed mature dendritic cells (mDC). These data suggest that the transfer of A. fumigatus specific TCRs might foster protective anti-fungal immune responses. Therefore this might be a suitable tool for immunotherapeutic use against A. fumigatus infections in immunosuppressed patients.

Pilze sind in unserer Umwelt allgegenwärtig und besiedeln im Fall von Candida albicans (C. albicans) sogar bei über 50% der Menschen die Schleimhäute, während Sporen von Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) täglich über die Atmung in die Lunge des Menschen gelangen. Dennoch sind Erkrankungen, die durch diese zwei Pilze ausgelöst werden, bei gesunden Menschen selten. Ist jedoch das Immunsystem beeinträchtigt, können diese Pilze zu systemischen und damit lebensbedrohlichen Erkrankungen wie der invasiven Aspergillose und der systemischen Candidiasis führen. Für eine Verbesserung der Behandlung solcher Infektionen ist das genaue Verständnis der Immunabwehrmechanismen entscheidend. Da A. fumigatus über die Lunge in den Körper gelangt, wurden in dieser Arbeit die häufigsten Immunzellen der Lunge, die Makrophagen, und deren Immunantwort auf A. fumigatus untersucht. Parallel hierzu wurden dendritische Zellen (DCs) verwendet, die als Brücke zwischen dem angeborenen und adaptiven Immunsystem wirken. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf A. fumigatus induzierte Genexpressionsänderungen und deren Regulationsmechanismen gelegt. Dabei wurden kurze, regulatorische RNAs, die sogenannten miRNAs, untersucht, die eine wichtige Rolle in der post-transkriptionalen Genregulation spielen. Bislang ist nur wenig über die miRNA-abhängigen Genregulationen in DCs, die auf eine Infektion mit A. fumigatus oder C. albicans reagieren, bekannt. Um alle durch A. fumigatus und C. albicans regulierten miRNAs zu identifizieren, wurden DCs mit A. fumigatus und C. albicans ko-kultiviert und anschließend eine Komplettsequenzierung der kurzen RNAs durchgeführt. Die Pilz-spezifische Induktion der miRNA-Regulation wurde zudem mit der miRNA-Regulation durch den bakteriellen Zellwandbestandteil Lipopolysaccharid verglichen. Durch die Stimulation mit Keimschläuchen von A. fumigatus wurden die miRNAs miR-132-3p/5p, miR-155-5p, miR129-2-3p, miR-129-5p, miR-212-3p/5p und miR-9-5p in DCs induziert. Diese wurden ebenfalls durch C. albicans induziert, zudem noch die miRNAs miR-147a und miR-147b. Spezifisch für A. fumigatus war die Regulation der miR-129-2-3p. Neben dem miRNA-Profiling wurde auch das mRNA-Transkriptom über Microarrays analysiert und dadurch 18 potentielle Zielgene der Pilz-induzierten miRNAs identifiziert. Neben den Elementen der Translationsregulation wurden auch die Transkriptionsfaktoren untersucht. Als einziger unter den 60 regulierten Transkriptionsfaktoren zeigte KLF4 eine veränderte Expressionsrichtung in DCs, die mit Pilzen oder LPS behandelt waren. Während die Stimulation mit LPS die Expression von KLF4 induzierte, wurde es durch die Pilze A. fumigatus und C. albicans reprimiert. In einer Untersuchung der unterschiedlichen A. fumigatus-Rezeptoren, wurde deren Einfluss auf die KLF4-Regulation gezeigt. Während TLR4-Liganden KLF4 induzierten, führten Liganden, die an die Rezeptoren TLR2/TLR1 und Dectin-1 binden, zu einer Reduktion von KLF4. Nach einem erfolgreich etablierten KLF4-knock-down mittels RNA-Interferenz wurden KLF4-Zielgene untersucht. Während kein bzw. nur ein geringer Effekt auf die Genexpression von CCL2, RANTES, CXCL10 und TNF beobachtet wurde, sorgte der KLF4 knock-down für eine hoch signifikante Reduktion der IL6-Genexpression in LPS-stimulierten DCs. Um die KLF4-Regulation weiter zu untersuchen, wurde zudem eine weitere Zellpopulation des angeborenen Immunsystems, die Makrophagen, verwendet. Auch hier wurde die Immunantwort gegen A. fumigatus analysiert. Zudem wurde die Rolle der Thrombozyten als Immunmediatoren betrachtet. Zuerst wurde ein Zytokinprofil des plättchenreichen Plasmas (PRP), das mit A. fumigatus stimuliert wurde, erstellt. In diesem konnte nur RANTES in hoher Konzentration nachgewiesen werden. Daraufhin wurde der Einfluss von PRP auf die Reifung von DCs, die Phagozytosefähigkeit von Makrophagen und DCs sowie der Einfluss von DCs und Makrophagen auf die metabolische Aktivität von A. fumigatus in An- und Abwesenheit von plättchenreichem Plasma untersucht. Es konnte eine gering verstärkte Reifung der DCs durch PRP gezeigt werden. Isolierte Thrombozyten konnten die Phagozytose von DCs steigern, während Makrophagen durch PRP verstärkt Konidien phagozytierten. In einem genomweiten Transkriptomprofiling wurde die Immunantwort von DCs und Makrophagen verglichen. Zudem wurde untersucht, wie PRP die Immunantwort dieser Immunzellen beeinflusst. Es wurden 2 bzw. 24 Gene identifiziert, die signifikant in A. fumigatus-stimulierten DCs und Makrophagen reguliert waren. Hierbei wurde gezeigt, dass KLF4 durch die Zugabe von PRP herabreguliert wurde. Das zuvor beschriebene Zielgen IL6 wurde durch PRP in A. fumigatus-stimulierten DCs gegenüber stimulierten DCs ohne PRP deutlich reduziert, wodurch sich eine immunmodulatorische Fähigkeit des PRP zeigte. Die Induktion von IL-6, weiteren Zytokinen und der Reifemarker durch A. fumigatus in DCs wurden zudem in einem Booleschen Modell simuliert. Dieses Modell soll in Zukunft Vorhersagen über experimentelle Ergebnisse und dadurch eine optimale Versuchsvorbereitung ermöglichen. / Fungi are ubiquitously distributed and around 50% of human mucosae are colonized by Candida albicans. Spores of Aspergillus fumigatus, called conidia, reach the human lung by inhalation of normal air. Still, fungi normally do not cause severe diseases in healthy individuals. Immunosuppression, however, predisposes to systematic and therefore life-threatening infection like invasive aspergillosis and systemic candidiasis. The treatment of those infections can only be improved by a detailed insight in immune defense mechanisms. The most prominent cell type in the lung, the location where A. fumigatus conidia can germinate and grow into tissue, are macrophages. Furthermore, the immune response of DCs that bridge innate and adaptive immunity was compared to macrophages. The main focus was on A. fumigatus induced changes in gene expression and their regulatory mechanisms. Especially the regulation of small, regulatory RNAs, called miRNAs, that are important in the post-transcriptional regulation of gene expression, was examined. So far, little is known about miRNA regulations in DCs, confronted with A. fumigatus or C. albicans. Therefore a complete sequencing of small RNAs was performed to discover all regulated miRNAs. The fungi-induced regulation was compared to DCs, stimulated with the bacterial cell membrane component lipopolysaccharide (LPS). An A. fumigatus and C. albicans dependent regulation of miR-132-3p/5p, miR-155-5p, miR129-2-3p, miR-129-5p, miR-212-3p/5p and miR-9-5p was observed. In C. albicans simulated DCs miR-147a and miR-147b were additionally regulated, whereas miR-129-2-3p was specifically regulated by A. fumigatus. Furthermore a genome wide transcriptome profiling was performed and 18 potential miRNA targets were identified. Beside post-transcriptional regulators of gene expression, an analysis of transcriptional regulators, called transcription factors, was conducted. The transcription factor KLF4 was identified as the only of all 60 differentially regulated transcription factors that was oppositely regulated comparing fungi and LPS. KLF4 was induced by LPS, but strongly down-regulated by A. fumigatus and C. albicans stimulation. Specific Toll-like receptor 4 activation by LPS and ultra-pure LPS induced KLF4. However, ligands to TLR2/TLR1 and Dectin-1 significantly reduced KLF4 mRNA and protein. A KLF4 knock-down by RNA interference was established to analyze KLF4 target genes. Little or no effect was observed on the expression of CCL2, RANTES, CXCL10 and TNF. However, KLF4 knock down induced a significant reduction of IL6 gene expression and IL-6 release by LPS treated DCs. To further examine the KLF4 regulation another cell type of the innate immune system, called macrophages, was used. The A. fumigatus-induced immune response of macrophages was compared to DCs. Furthermore, the role of platelets as immune mediators was examined. At first, a cytokine profile of untreated and A. fumigatus stimulated platelet-rich plasma was performed. RANTES was identified as the only detectable cytokine. Then the influence of PRP on DC maturation, DC and macrophages phagocytosis as well as the metabolic activity of A. fumigatus was determined. Only a weak, but still significant, influence of PRP on DCs maturation induced by A. fumigatus was observed. In the analysis of phagocytosis of A. fumigatus conidia, DCs and macrophages were reacting differently to the addition of PRP and isolated platelets. Isolated platelets were able to enhance the phagocytosis of DCs. On the other hand, PRP and plasma without platelets increased phagocytosis of macrophages. In a genome wide approach the immune response of DCs and macrophages was compared and additionally examined, if PRP alters the DC and macrophage gene expression. PRP induced a significant regulation of 2 and 24 genes of A. fumigatus treated DCs and macrophages. Furthermore, an influence of PRP on the KLF4 expression was monitored. The previously described KLF4 target gene IL6 was significantly down-regulated in PRP and A. fumigatus stimulated DCs and macrophages, compared to A. fumigatus stimulated cells. In conclusion, PRP has only a weak but detectable influence on cell function and gene expression. Furthermore a Boolean model was established to analyze the influence of A. fumigatus stimulation on the cytokine release, especially of IL-6, IL-1B and TNF, and the induction of maturation markers. This model will be used for predictions and optimizations of experimental settings.

Aspergillus fumigatus is the most common cause for invasive fungal infections, a disease associated with high mortality in immune-compromised patients. CD1d-restricted invariant Natural Killer T (iNKT) cells compose a small subset of T cells known to impact the immune response towards various infectious pathogens. To investigate the role of human iNKT cells during A. fumigatus infection, we studied their activation as determined by CD69 expression and cytokine production in response to distinct fungal morphotypes in the presence of different CD1d⁺ antigen presenting cells using flow cytometry and multiplex ELISA. Among CD1d⁺ subpopulations, CD1d⁺CD1c⁺ mDCs showed the highest potential to activate iNKT cells on a per cell basis. The presence of A. fumigatus decreased this effect of CD1d⁺CD1c⁺ mDCs on iNKT cells and led to reduced secretion of TNF-α, G-CSF and RANTES. Production of other Th1 and Th2 cytokines was not affected by the fungus, suggesting an immune-modulating function for human iNKT cells during A. fumigatus infection. / Aspergillus fumigatus ist der häufigste Erreger von invasiven Pilzinfektionen, welche bei immunsupprimierten Patienten mit einer hohen Mortalität einhergehen. CD1d-abhängige invariante Natürliche Killer T (iNKT) Zellen sind eine kleine Subpopulation von T-Zellen, die die Immunantwort auf verschiedene Erreger beeinflussen. Um die Rolle von humanen iNKT Zellen in der Aspergillus fumigatus Abwehr zu untersuchen, wurde in Ko-Kulturen mit iNKT Zellen und CD1d⁺ Antigen präsentierenden Zellen in Anwesenheit von verschiedenen fungalen Morphotypen der Aktivierungsmarker CD69 und die Zytokinproduktion mittels Durchflusszytometrie und Multiplex ELISA untersucht. Unter den CD1d⁺ Subpopulationen wiesen die CD1d⁺CD1c⁺mDCs das höchste aktivierende Potential auf iNKT Zellen auf. Die Anwesenheit von A. fumigatus reduzierte diesen Effekt von CD1d⁺CD1c⁺mDCs auf iNKT Zellen und führte zu einer reduzierten Sekretion von TNF-α, G-CSF und RANTES. Die Produktion von anderen Th1 und Th2 Zytokinen war nicht durch den Pilz beeinflusst. Diese Arbeit suggeriert eine immunmodulierende Funktion von humanen iNKT Zellen in der Abwehr von A. fumigatus.