Magister Scientiae - MSc / "The aim of the study was to use in vitro human whole blood cultures to screen the water samples collected from the Eerste/Plankenbrug river system for cytotoxicity and inflammatory activity and for the first time investigate the impact on the cell- mediated and humoral immune pathways. Water samples were collected fronm the sites during the dry summer season and rainy winter season. Blood was collected from the healthy male volunteers and diluted with RPMI 1640. For cytotoxicity and inflammatory activity 2.5ul of blood for 18-20 hrs at 37 C... This study shows that waster from the Plankenbrug River is heavily polluted by contaminants from both the agricultural area and informal settlement of Kayamandi. These contaminants can be potentially immunotoxic during the summer season and they can result in inflammatory diarrheal disease and immunosuppression in exposed individuals..."

HINTERGRUND: Eine inadäquate Aktivierung von Typ-1-IFN kann in der Entstehung von Autoimmunität und Autoinflammation resultieren. Die einer solchen dysregulierten Typ-1-IFN-Achse zu Grunde liegenden Störungen werden primär über das angeborene Immunsystem vermittelt. Krankheitsbilder, die durch eine chronische Typ-1-IFN-Aktivierung bedingt sind, werden daher unter dem Begriff Typ-1-Interferonopathien zusammengefasst. Diese Gruppe seltener, genetisch bedingter Erkrankungen zeichnet sich durch eine große symptomatische Bandbreite aus, wobei vor allem neurologische und kutane Manifestationen im Vordergrund stehen. Bisher aufgeklärte Pathomechanismen dieser systemisch-entzündlichen Erkrankungen haben einen Einblick in neue zellintrinsische Mechanismen gegeben, die zu einer Typ-1-IFN-Aktivierung führen und auf Störungen im Metabolismus und der immunologischen Erkennung intrazellulärer Nukleinsäuren beruhen. Daraus ergeben sich auch Erkenntnisse hinsichtlich des Einsatzes einer immunmodulatorischen Therapie zur kausalen Behandlung von Typ-1-Interferonopathien. FRAGESTELLUNG: Typ-1-Interferonopathien gehören zu den genetisch bedingten, seltenen Erkrankungen. Eine Diagnosestellung ist jedoch aufgrund mangelnder Kenntnisse über die Krankheitsursache häufig nicht möglich, sodass kausale Therapieansätze für viele Patienten nicht existieren. Die Aufklärung der genetischen Ursache solcher Erkrankungen ist demnach von essentieller Bedeutung. Auch die hier untersuchten Familien leiden an bisher nicht molekulargenetisch diagnostizierten Krankheiten, deren Phänotyp jedoch eine Typ-1-Interferonopathie vermuten lässt. Vor diesem Hintergrund war es das Ziel dieser Arbeit, bisher unbekannte Gene zu identifizieren und zu charakterisieren, welche Krankheitsbilder mit chronischer Typ-1-IFN-Aktivierung verursachen. MATERIAL UND METHODEN: Anhand klinischer Daten wurden zunächst die Krankheitsbilder der zwei betroffenen Familien charakterisiert und hinsichtlich der Gemeinsamkeiten mit bekannten Typ-1-Interferonopathien untersucht. Zudem wurde das Vorliegen einer chronischen Typ-1-IFN-Aktivierung bei den erkrankten Familienmitgliedern untersucht. Mit Hilfe von Exomanalysen und anschließenden bioinformatischen Analysen wurde nach dem ursächlichen Krankheitsgen gesucht. Die in diesem Rahmen in der Familie 1 nachgewiesene STING-Mutation wurde unter Verwendung von molekularbiologischen sowie zellbiologischen Analysen eingehend untersucht und zudem ihre Konsequenzen auf die IFN-Achse und die Stabilität des STING-Dimers mittels Strukturmodellierungen charakterisiert. Hinsichtlich der Aufklärung der genetischen Ursache der Erkrankung der Familie 2 wurde ebenfalls eine Exomanalyse durchgeführt. Da dabei jedoch keine Mutation identifiziert werden konnte, erfolgte eine Analyse differentiell exprimierter Transkripte mit Hilfe von Transkriptomdaten von Fibroblasten gesunder Kontrollen im Vergleich zu erkrankten Familienmitgliedern der Familie 2. ERGEBNISSE: Im Verlauf dieser Arbeit konnte in der Familie 1 mit einem familiären Chilblain Lupus eine kausale heterozygote Mutation im STING-Gen identifiziert werden. Diese bisher nicht beschriebene Mutation bedingt den Aminosäureaustausch Gly166Glu (G166E) im hochkonservierten Dimerinterface des STING-Proteins. Strukturmodelle ergaben Hinweise auf strukturverändernde Eigenschaften der Mutation G166E, die das STING-Dimer konstitutiv aktivieren. Dies konnte experimentell bestätigt werden, da in den peripheren Blutzellen der Patienten eine erhöhte IFN-Signatur nachgewiesen werden konnte und Patientenfibroblasten eine erhöhte Produktion von IFN-β sowie eine vermehrte Phosphorylierung von IRF3 zeigten. Um den Einfluss einer therapeutischen Immunmodulation über eine JAK-Inhibition zu untersuchen, wurden zwei Erkrankte der Familie 1 mit dem JAK-Inhibitor Tofacitinib über einen Zeitraum von 17 Tagen behandelt. Es konnte dabei in vivo eine signifikant reduzierte IFN-Signatur nachgewiesen werden. Mit Hilfe der Exomanalyse konnte in der konsanguinen Familie 2 mit einem AGS-ähnlichen Phänotyp keine kausale Mutation identifiziert werden. Es zeigte sich zudem, dass in den Patientenzellen keine erhöhte IFN-Signatur sowie keine erhöhte IFN-β Produktion nachweisbar waren. Die vergleichende Transkriptomanalyse ergab keine auffällige differentielle Expression von Genen des Aminosäure-Metabolismus, der Seneszenz, des Zellzyklus, der DNA-Schadensantwort und DNA-Reparatur sowie von Genen immunologischer Prozesse. Allerdings wurde die vollständig fehlende Expression der Gene COL6A1 und COL6A2 in den Patientenzellen nachgewiesen. SCHLUSSFOLGERUNG: Die identifizierte STING-Mutation der Familie 1 führt zu einer chronischen Aktivierung der Typ-1-IFN-Achse und ist folglich als Gain-of-function Mutation anzusehen. Die Behandlung mit dem immunmodulierenden JAK-Inhibitor Tofacitinib führt zu einer Verminderung der IFN-Signatur und bietet somit einen vielversprechenden Ansatz für eine kausale Therapie. Weiterführende Untersuchungen, vor allem bezüglich der Langzeiteffekte, sind hier jedoch noch erforderlich. Die Erkrankung der Familie 2 ist dagegen vermutlich nicht den Typ-1-Interferonopathien zuzuordnen. Vielmehr scheint es zum jetzigen Zeitpunkt wahrscheinlich, dass eine Mutation innerhalb eines regulatorischen Elements, das die Expression der Gene COL6A1 und COL6A2 reguliert, für den Phänotyp der Erkrankten verantwortlich ist. Weiterführende Untersuchungen sind hier zukünftig von großem Interesse.

La lymphohistiocytose hémophagocytaire (HLH) est une maladie hyper-inflammatoire rare, mais potentiellement mortelle affectant surtout les jeunes enfants. Il existe deux formes de HLH : primaire et secondaire. La HLH primaire est causée par une mutation des gènes impliqués dans la voie cytotoxique médiée par les granules, alors que la HLH secondaire se développe en raison d’une condition préexistante, telle qu’un cancer, une infection chronique ou une transplantation. La HLH est caractérisée par le développement d’inflammation extrême, une production excessive de cytokines inflammatoires ainsi qu’une infiltration tissulaire massive par des lymphocytes T et des macrophages activés. À ce jour, le traitement de la HLH consiste d’abord à réduire l’inflammation à l’aide d’agents de chimiothérapie hautement toxiques et de corticostéroïdes, puis à procéder à une transplantation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) chez les patients atteints de HLH primaire, le seul traitement disponible permettant la rémission de ces patients. Toutefois, les thérapies actuelles ne parviennent pas toujours à réduire l’inflammation extrême chez plusieurs patients atteints de HLH, si bien que le taux de mortalité avant la transplantation de CSH est toujours d’environ 20% à 25%. C’est pourquoi le développement de nouveaux traitements anti-inflammatoires, plus efficaces, représenterait une avancée majeure dans le traitement de la HLH. Des études dans des modèles murins avaient déjà démontré que l’utilisation d’anticorps bloquants ciblant l’IFNg (anti-IFNg) ou de ruxolitinib, un inhibiteur de JAK1/2 (« janus activated kinases 1/2 »), pouvait améliorer efficacement, quoique partiellement, les manifestations de la HLH. Nous avons donc émis l’hypothèse que l’utilisation d’une thérapie combinée ciblant des cytokines JAK-dépendantes et indépendantes serait plus efficace qu’une monothérapie pour diminuer les symptômes de la HLH. À l’aide d’un modèle murin déficient pour le gène de la perforine (PKO), nous avons comparé les effets de l’inhibition de l’IL-6 et de l’IL-18, deux cytokines fortement sécrétées dans la HLH, en combinaison avec soit de l’anti-IFNg ou du ruxolitinib. Nous avons aussi vérifié l’efficacité d’une thérapie combinée d’anti-IFNg et de ruxolitinib sur les manifestations de la HLH. Nos travaux ont montré que l’anti-IL-6R et l’anti-IL-18, lorsque combinés avec de l’anti-IFNg ou du ruxolitinib, amélioraient légèrement, mais pas de manière significative, les symptômes de la HLH. Par contre, l’utilisation d’une thérapie combinant du ruxolitinib avec de l’anti-IFNg générait un important effet de synergie sur la résolution des symptômes. Notre étude démontre que l’anti-IFNg et le ruxolitinib, même s’ils sont efficaces par eux-mêmes, devraient être utilisés en combinaison afin de prévenir la progression de la HLH. Cette étude est particulièrement pertinente puisque l’anti-IFNg a récemment été approuvé par la FDA pour le traitement de la HLH tandis que le ruxolitinib est présentement à l’étude chez l’humain. / Hemophagocytic lymphohistiocytosis (HLH) is a rare, life-threatening hyper-inflammatory disease affecting mainly young children. There are two types of HLH : primary and secondary. Primary HLH is caused by defects in genes of the perforin-granzyme cytotoxic pathway, whereas secondary HLH develops following a pre-existing underlying condition, such as a cancer, a chronic infection or a transplantation. HLH is characterized by extreme inflammation, a very high secretion of inflammatory cytokines and a massive tissue infiltration by activated T cells and macrophages. Currently, treatment for HLH consists of reducing the inflammation with a course of highly toxic chemotherapy agents and corticosteroids, followed by hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) for patients with primary HLH, which is the only available curative treatment for these patients. However, current therapies often fail to properly manage the extreme inflammation of HLH in many patients, so that the pre-HSCT fatality still stands around 20% to 25%. Thus, the development of new, more potent anti-inflammatory treatments would be a major advance in the treatment of HLH. It had already been shown in relevant mouse models that blocking antibodies targeting IFNg (anti-IFNg) or ruxolitinib, a Janus activated kinase 1/2 (JAK1/2) inhibitor, could efficiently, but partially, improve the pathological manifestations of HLH. Thus, we hypothesized that combined therapies targeting both JAK-dependent and independent cytokines would be more effective than either one alone to reduce the symptoms of this pathology. Using a perforin knock-out (PKO) mouse model, we compared the effects of targeting IL-6 and IL-18, which are highly expressed cytokines during HLH, in combination with either anti-IFNg or ruxolitinib. We also tested the efficacy of a therapy combining anti-IFNg with ruxolitinib on the manifestations of HLH. We found that anti-IL-6R and anti-IL-18, when used in combination with either anti-IFNg or ruxolitinib, showed small, but not significant improvements on the pathological manifestations of HLH. However, combination therapy using ruxolitinib and anti-IFNg showed a major synergistic effect on the resolution of the symptoms of HLH. Our findings support that anti-IFNg and ruxolitinib, although effective independently, should be used in combination to suppress HLH progression. This is particularly relevant since the former was recently approved for treating HLH while the latter is in clinical trials.

Celiaki (glutenintolerans) är en kronisk, autoimmun sjukdom med diffusa symtom. Vid förtäring av glutenhaltig mat uppstår en allergisk reaktion hos glutenintoleranta individer. Gluten kan inte fullständigt brytas ned av kroppens enzymer, vilket betyder att icke nedbrutna peptidfragment (såsom glutamin) absorberas i tarmslemhinnan. Enzymet transglutaminas katalyserar omvandlingen av glutamin till glutamat. Glutenkänsliga T-celler aktiveras av glutamat att utsöndra proinflammatoriska cytokiner såsom interferon-gamma (IFN-γ) och tumörnekrosfaktor-alfa (TNF-⍺). Syftet med studien var att undersöka om gluten- och gliadinstimulering av celler i helsaliv in vitro kan inducera produktion av IFN-γ och TNF-⍺. Pilotstudier med 2 försökspersoner utfördes, där celler i salivprover stimulerades med enzymatiskt nedbrutet gliadin (<40 mg gliadin), samt PHA (5 µg/mL), PMA (50 ng/mL) och LPS (1 µg/mL) 20 timmar vid 37 ˚C. Cytokinproduktionen i salivproverna kvantifierades med ELISA och uppreglering av IFN-γ och TNF-⍺ undersöktes med RT-qPCR. Efter metodutveckling upprepades stimulering och ELISA med salivprov från 12 försökspersoner (6 individer med och utan celiaki). Immunreaktionen som uppstår hos glutenintoleranta individer in vivo kunde inte återskapas i saliv in vitro med den framtagna metoden. Hos övervägande delen av salivproverna var cytokinproduktionen under detektionsgränsen, 4 pg/mL för IFN-γ och 15,6 pg/mL för TNF-⍺. Det finns risk för att outforskade detaljer eller agens saknades från reaktionskedjan och därmed kunde den förväntade immunreaktionen inte återskapas. En annan felkälla kan vara för låg koncentration av immunceller i saliven. / Celiac disease is a chronic, autoimmune disease that has diffuse symptoms. Upon consuming gluten containing food, an allergic reaction occurs in gluten-sensitive individuals. Gluten cannot be fully digested by human enzymes, which leads to non-digested peptide fragments (such as glutamine) to be absorbed in the gastrointestinal wall. The transglutaminase enzyme catalyzes the conversion of glutamine to glutamate. Glutamate activates gluten-specific T-lymphocytes to produce proinflammatory cytokines e.g., interferon-gamma (IFN-γ) and tumor necrosis factor alpha (TNF-⍺). The aim of this study was to investigate whether stimulation of cells in whole saliva in vitro with gluten and gliadin can induce production of IFN-γ and TNF-⍺. Pilot studies were conducted, where cells in saliva from 2 subjects was stimulated with enzymatically digested gliadin (<40 mg gliadin) together with PHA (5 µg/mL), PMA (50 ng/mL) and LPS (1 µg/mL) for 20 hours at 37 ˚C. The production of cytokines was quantified by ELISA, and the upregulation of IFN-γ and TNF-⍺ was analyzed by RT-qPCR. After method development, the stimulations and ELISA quantifications of the proinflammatory cytokines were repeated in saliva samples from 12 subjects (6 individuals with and without celiac disease). The immune reaction that occurs in people with celiac disease could not be recreated in saliva in vitro with the developed method. In most of the samples the production of cytokines was under the detection range, 4 pg/mL for IFN-γ and 15,6 pg/mL for TNF-⍺. There is risk of unstudied details or agents missing from the reaction chain, and therefore the expected immune reaction could not be recreated. Another source of error could be low concentration of immune cells in saliva.

Despite the central role of IFNγ in vitiligo pathogenesis, systemic IFNγ neutralization is an impractical treatment option due to strong immunosuppression. However, most vitiligo patients present with less than 20% affected body surface area, which provides an opportunity for localized treatments that avoid systemic side effects. After identifying keratinocytes as key cells that amplify IFNγ signaling during vitiligo, I hypothesized that tethering an IFNγ neutralizing antibody to keratinocytes would limit anti-IFNγ effects to the treated skin for the localized treatment. To that end, I developed a bispecific antibody (BsAb) capable of blocking IFNγ signaling while binding to desmoglein expressed by keratinocytes. I characterized the effect of the BsAb in vitro, ex vivo, and in a mouse model of vitiligo. SPECT/CT biodistribution and serum assays after local footpad injection revealed that the BsAb had improved skin retention, faster elimination from the blood, and less systemic IFNγ inhibition than the non-tethered version. Furthermore, the BsAb conferred localized protection almost exclusively to the treated footpad during vitiligo that was not possible by local injection of the non-tethered anti-IFNγ antibody. Thus, keratinocyte-tethering proved effective while significantly diminishing off-tissue effects of IFNγ blockade, offering a new treatment strategy for localized skin diseases, including vitiligo.

It is now clear that human and animal exposure to estrogenic compound occurs through several sources. This include: i) naturally occurring endogenous estrogens, ii) exogenous or intentional estrogens for prophylactic (e.g. oral contraceptive) and therapeutic (e.g. as replacement therapy for ovulation in nulliparous women and in menopausal women, and in some men suffering from prostate cancer) purposes, iii) accidental via estrogenic chemical exposure (e.g. pesticides, industrial byproducts) and phytoestrogens (e.g. soybeans). It has long been recognized that estrogen, a female sex hormone, functions not only on the reproductive system, but also on various other systems including the immune system. Estrogens are thought to be of both physiologic and pathologic importance. Female in general, have better immune capabilities than males, a phenomenon attributed to the action of sex hormones on the immune system. There is also a female-gender bias in susceptibility to autoimmune diseases. Estrogens have been linked either directly or indirectly to the etiology and pathogenesis of various female-predominant autoimmune diseases. Estrogens have also been linked to the onset of cancer, and conditions where the immune system often malfunctions. Estrogen affects the functions of both B and T cells, possibly by regulating such factors as lymphokine gene expression and/or cellular death by apoptosis. However, the functioning of both B and T cells under the influence of long-term exposure to estrogen has not been fully understood. The primary aim of this thesis was to investigate the effect of long-term exposure to 17β-estradiol on lymphokine and bcl-2/fas (proto-oncogenes) mRNA expression. We evaluated the effects of estrogen on the expression of genes for lymphokines, which are essential for the immune response. It is hypothesized that estrogen may regulate the immune system by modifying the expression of lymphokine genes and/or genes that regulate apoptosis. The results demonstrated that long-term 17β-estradiol exposure reduced the viability of lymphocytes when compared to lymphocytes from placebo-treated mice. IL-2 and IFN-g mRNA was consistently higher in ConA-stimulated lymphocytes from estrogen-treated mice (P < 0.05). The mRNA for TGF-β₁ lymphokine was also increased but was not consistent at all time points of incubation. The expression of IL-4 mRNA was not noticeably affected by estrogen treatment of mice. Long-term exposure to 17β-estradiol appear to have some influence on the mRNA expression of proto-oncogenes fas and bcl-2 in splenic and thymic T lymphocytes. There was a trend of increased bcl-2 mRNA expression in estrogen-treated mice compared to placebo-treated mice, whereas the mRNA expression of fas gene appeared to be lower compared to controls. Overall, these findings suggest that 17β-estradiol may selectively influence lymphokine and proto-oncogene mRNA expression. These results suggest that the one mode of modulation of the immune response by 17β-estradiol may be through alterations in the lymphokine and proto-oncogene expression. Since estrogen-treatment markedly induces atrophy of the thymus and diminishes the cellularity of the lymphoid organs (e.g. Spleen), it became necessary to perform multiple assays on the same cells, particularly lymphokine and apoptosis gene expression. A secondary objective of this thesis was to investigate whether lymphocytes, which have undergone proliferation in Lympho-Pro™ assay (Alamar Blue assay), could be utilized for further analysis. In this regard, we found that a non-radioactive assay that utilizes Alamar Blue had significant advantages over the conventional ³H-thymidine incorporation assay. By using cells from estrogen and placebo-treated mice in the Alamar Blue assay, we found that this assay not only allowed determination of lymphocyte proliferation, but also the assessment of mRNA expression, cytogenetics, apoptosis and immunophenotyping of the same lymphocytes. / Master of Science

In patients after cardiac surgery, there is an increase in the level of molecules with both pro-inflammatory and anti-inflammatory effects. This increase is influenced by the patient's clinical condition, but also by the nature of the operation itself, which uses conventional extracorporeal circulation. This technique leads to damage to blood elements by direct contact with air and parts of the extracorporeal circulation, as well as to ischemia-reperfusion injury. The specifics of cardiac surgery then affect possible postoperative complications such as multiorgan failure or septic shock. The diploma thesis is divided into a theoretical and a practical part. The theoretical part describes the principle and influence of cardiopulmonary bypass on the human body and the complications that are associated with its use. Furthermore, IFN-γ is described herein as a potential marker of septic conditions that could reflect the clinical postoperative condition of patients. The practical part of the diploma thesis monitored the percentage change of selected cell populations and the production of IFN-γ in the peripheral blood of patients before and after cardiac surgery. Furthermore, the response of individual isolated populations of healthy volunteers to selected stimulators was investigated. The percentage of...

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