Conventional techniques within the beef cattle industry involve weaning the calf from the dam when the calf is about 205 days of age. Weaning induces a stress-response that is implicated in reducing the health and productivity of newly weaned calves. Our goal was to evaluate the impact of weaning on the stress immune responses of beef calves. To that end, we 1) evaluated novel methods to quantify physiological markers of stress, 2) compared immune function and growth of calves grazing legume versus grass forages, and 3) compared the effects of abrupt versus two-stage weaning on calves. In study 1, calf, yearling, and adult beef cattle were used to assess the accuracy and precision of handheld glucometers in quantifying bovine blood glucose concentration. Precision Xtra® and ReliOn® glucometers were used chute side to quantify blood glucose concentrations in cattle and were compared to an accepted plasma glucose analysis on the same samples for validation. The Precision Xtra® glucometer was more accurate and precise than the ReliOn® glucometer. In study 2, weaned heifers were used to compare the immunomodulatory effects of grazing alfalfa versus fescue over a 30 day grazing period. No differences were detected in the interferon gamma (IFNγ) production and weight gain between the heifers on alfalfa and fescue. In study 3, effects of two-stage (fenceline) and abrupt weaning were compared. Calf weights, immune cell function, antibody production, blood glucose concentrations, fecal cortisol concentrations, and gene expression (FAS, IL-4,IL-10, and IFNγ) were measured pre- and post-weaning. On the day after weaning, the abruptly weaned calves had higher blood glucose concentrations than fenceline weaned calves. Fecal cortisol concentration and gene expression of FAS and IL-4 increased in both groups after weaning, but no differences were detected between the weaning treatments. Gene expression of IL-10 and IFNγ did not change over time. No date, treatment or treatment*date effect was detected for total weight gain or IFNγ production within the non-stimulated and the mitogen-stimulated whole blood samples. / Master of Science

Die Nierentransplantation ermöglicht Patienten die Wiederherstellung der Nierenfunktion. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit an Organen nimmt dabei die Zahl der Transplantationen von einem lebenden Spender stetig zu. Zudem ermöglichen die präzisen und genauen Vorbereitungen und Abläufe bei Lebendnierenspenden eine bessere 5-Jahres-Überlebensrate als bei Kadaverspenden. Die genetische Verschiedenheit zwischen Spender und Empfänger bedingt jedoch eine lebenslange immunsuppressive Therapie, um Abstoßungsreaktionen und damit das Scheitern einer Organtransplantation zu verhindern. An den Universitätskliniken Leipzig und Halle/Saale besteht diese Therapie aus einer Dreifachkombination von Tacrolimus, Mycophenolat-Mofetil und Prednisolon, wobei mögliche Nebenwirkungen wie opportunistische Infektionen, kardiovaskuläre und metabolische Erkrankungen sowie Tumore in Kauf genommen werden. Zudem besteht für den immunsupprimmierten Organismus die ständige Gefahr einer Abstoßungsreaktion. Diese Aspekte führen bei den Empfängern zu einer massiven Einschränkung der Gesundheit und Lebensqualität. Inwieweit die ausgeprägte Immunsuppression notwendig ist, bleibt unklar und muss individuell festgelegt werden. Bisher existiert kein geeignetes Verfahren für ein Immunmonitoring, weshalb in vielen Fällen eine umfangreiche und überdosierte Immunsuppression in Kauf genommen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein geeignetes Testverfahren, der Elispot-Assay, für die Expression der beiden proinflammatorischen Zytokine IFN-γ und IL-17 erstellt. Dafür wurden die PBMC der Spender und Empfänger aus Vollblut separiert, um sie anschließend sowohl separat als auch in einer Lymphozytenmischreaktion zu untersuchen. Die Darstellung von IL-17 konnte nur aufgrund einer zusätzlichen Stimulation mit OKT3 gelingen, während der IFN-γ-Elispot sowohl im Leerwert als auch unter Stimulation mit IL-2 zu ausreichenden Spotanzahlen führte. Die Spotanzahlen der Spender-PBMC wurden mit Hilfe von γ-Strahlung signifikant reduziert (IFN-γ: p=0,047 | IFN-γ + IL-2: p=0,007 | IL-17: p = 0,001), um in den Lymphozytenmischreaktionen die alleinige Zytokinausschüttung der Empfänger-PBMC messen zu können. Die Spender- PBMC fungierten dabei nur als Antigene. Insgesamt konnten zwischen 2009 und 2012 zwölf von siebzehn Patientenpaaren in die Studie eingeschlossen werden. Die Spotanzahlen der Paare wurden dabei sowohl im IFN-γ- als auch im IL-17-Elispot-Assay zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen (vor Transplantation | 21±3 d postoperativ | 28±3 d postoperativ | 75±15 d postoperativ). In den meisten Fällen zeigte sich vor Transplantation eine erhöhte Spotanzahl im Vergleich zu den drei postoperativen Werten. Zudem stiegen die Spotanzahlen sowohl für IFN-γ als auch für IL-17 nach niedrigen Messergebnissen kurz nach der Transplantation im postoperativen Verlauf wieder an und erreichten in einigen Fällen die Spotanzahl der präoperativen Ausgangswerte. Ein signifikanter Unterschied konnte aufgrund der geringen Fallzahl nicht erreicht werden. Die kurzfristige Reduktion der Spotanzahlen postoperativ ist dabei aller Wahrscheinlichkeit nach auf die hohen Dosen an immunsuppressiven Medikamenten zurückzuführen. Insgesamt zeigten die Verläufe der IFN-γ- und der IL-17- Elispot-Assays ähnliche Verläufe. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass der IL-17-Elispot- Assay in Bezug auf mögliche Abstoßungsreaktionen eine ähnliche Aussagekraft besitzen könnte wie der bereits vielfach untersuchte IFN-γ-Elispot-Assay. Weiterhin wurden die Messergebnisse mit der Serumkreatininmolarität verglichen. Diese zeigte präoperativ höhere Molaritäten als postoperativ, wobei die postoperativen Molaritäten im Verlauf, im Gegensatz zu den Elispot-Messungen, abnahmen, was das Einsetzen der Nierenfunktion widerspiegelt. Unter den zwölf Patientenpaaren gab es keine einzige nachgewiesene akute Abstoßungsreaktion, der Verlauf der Serumkreatininmolaritäten war bei allen zwölf Empfängern vergleichbar. Demzufolge konnten die Werte der Elispot-Assays nicht herangezogen werden, um an ihnen eine Abstoßungsreaktion der transplantierten Nieren erkennen zu können. Das präoperative Abschätzen einer möglichen Abstoßungsreaktion anhand der Elispot-Assays konnte aufgrund fehlender Abstoßungsreaktionen ebenfalls nicht untersucht werden. Zusätzlich wurde bei den Patienten eine HLA-Typisierung vorgenommen, wobei der Bereich von optimalen bis maximal ungünstigen Konstellationen reichten (HLA-Mismatch: 0-0-0 bis 2-2-2). Auch hier konnten die Ergebnisse nicht mit möglichen Abstoßungsreaktionen verglichen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden zahlreiche Varianten untersucht, die das Abschätzen einer Immunreaktion nach Nierentransplantation (Immunmonitoring) ermöglichen könnten. Aufgrund fehlender Abstoßungsreaktionen bei den Empfängern konnte das Testverfahren nicht an den klinischen Verläufen validiert werden. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Messverfahren kann jedoch eine neue und größer angelegte Studie erfolgen, die in Zukunft ein Immunmonitoring bei Patienten nach Nierentransplantation ermöglicht. / Introduction Since the first kidney transplantation in the 1950ies, kidney transplantation is still being challenged by graft dysfunction and complete graft failure. Permanent immunsuppressive treatment is mandatory to avoid an unfavourable outcome. The treatment with Prednisolone, Tacrolimus and Mycophenolat-Mofetil may cause toxic side effects resulting in Diabetes mellitus, hypertension, infections and cancer. In the present study we tried to demonstrate that the amount of spots in the Enzyme linked immunospot assay (Elispot-Assay) of IFN-γ and IL-17 correlates with the probability of graft dysfuction and complete graft failure. We also compared the results to clinical parameters. Methods Between the years 2009 and 2012, twelve pairs of related living kidney transplantations were included in this study. From each pair blood samples were taken at four time points (before transplantation, and at 21±3, 28±3 and 75±15 days after kidney transplantation, respectively). After establishing the technique of IFN-γ- and IL-17-Elispot-Assays, we separated the periphale blood mononuclear cells (PBMC) and performed follow up examinations at the four time points mentioned above. The PBMC of each donor and each recipient were examined separatly, and in addition together in a lymphocyte mixed reaction. We stimulated the PBMC of the IFN-γ-Elispot with Interleukin-2 (IL-2) and the PBMC of the IL-17-Elispot with OKT3 to get significant characteristics. PBMC of the donors were irradiated with 30 Gy before mixing them with the PBMC of the recipients. We also took the HLA-matches and serum creatinine molarity to compare important clinical parameters with the results of the Elispot-Assays. Results Sufficient spots were measured using the unstimulated and stimulated IFN-γ-Elispot and the stimulated IL-17-Elispot. Radiation was significant at all three tests (IFN-γ: p=0,047 | IFN-γ + IL-2: p=0,007 | IL-17: p = 0,001). All twelve recipients showed a high number of spots before transplantation in both types of Elispot-Assays and most of them an increasing number of spots after a minimal turning point three weeks after transplantation. Due to the small number of cases, no significant results could be obtained at follow up. Non recipient developed a graft rejection as proven by biopsy or graft failure. The molarity of serum creatinine was permanently reduced whereas it was high before transplantation. Because of the abscence of any rejection episodes, HLA matches could not be compared. Discussion Due to the absence of rejection episodes or graft failure, no prediction for rejection by the IFN-γ- and IL-17-Elispot was possible. The low number of cases of living related kidney transplantation demonstrated the challange of the investigation of living related kidney transplantation. Although we could prove a significant effect of the irradiation of PBMC, there was no significant result in the follow up investigations. A higher number of cases are needed in future investigations. The established method of the IFN-γ- and IL-17-Elispot can be used in a future study with an extended number of cases and a longer follow up of time.

Die Nierentransplantation ermöglicht Patienten die Wiederherstellung der Nierenfunktion. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit an Organen nimmt dabei die Zahl der Transplantationen von einem lebenden Spender stetig zu. Zudem ermöglichen die präzisen und genauen Vorbereitungen und Abläufe bei Lebendnierenspenden eine bessere 5-Jahres-Überlebensrate als bei Kadaverspenden. Die genetische Verschiedenheit zwischen Spender und Empfänger bedingt jedoch eine lebenslange immunsuppressive Therapie, um Abstoßungsreaktionen und damit das Scheitern einer Organtransplantation zu verhindern. An den Universitätskliniken Leipzig und Halle/Saale besteht diese Therapie aus einer Dreifachkombination von Tacrolimus, Mycophenolat-Mofetil und Prednisolon, wobei mögliche Nebenwirkungen wie opportunistische Infektionen, kardiovaskuläre und metabolische Erkrankungen sowie Tumore in Kauf genommen werden. Zudem besteht für den immunsupprimmierten Organismus die ständige Gefahr einer Abstoßungsreaktion. Diese Aspekte führen bei den Empfängern zu einer massiven Einschränkung der Gesundheit und Lebensqualität. Inwieweit die ausgeprägte Immunsuppression notwendig ist, bleibt unklar und muss individuell festgelegt werden. Bisher existiert kein geeignetes Verfahren für ein Immunmonitoring, weshalb in vielen Fällen eine umfangreiche und überdosierte Immunsuppression in Kauf genommen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein geeignetes Testverfahren, der Elispot-Assay, für die Expression der beiden proinflammatorischen Zytokine IFN-γ und IL-17 erstellt. Dafür wurden die PBMC der Spender und Empfänger aus Vollblut separiert, um sie anschließend sowohl separat als auch in einer Lymphozytenmischreaktion zu untersuchen. Die Darstellung von IL-17 konnte nur aufgrund einer zusätzlichen Stimulation mit OKT3 gelingen, während der IFN-γ-Elispot sowohl im Leerwert als auch unter Stimulation mit IL-2 zu ausreichenden Spotanzahlen führte. Die Spotanzahlen der Spender-PBMC wurden mit Hilfe von γ-Strahlung signifikant reduziert (IFN-γ: p=0,047 | IFN-γ + IL-2: p=0,007 | IL-17: p = 0,001), um in den Lymphozytenmischreaktionen die alleinige Zytokinausschüttung der Empfänger-PBMC messen zu können. Die Spender- PBMC fungierten dabei nur als Antigene. Insgesamt konnten zwischen 2009 und 2012 zwölf von siebzehn Patientenpaaren in die Studie eingeschlossen werden. Die Spotanzahlen der Paare wurden dabei sowohl im IFN-γ- als auch im IL-17-Elispot-Assay zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen (vor Transplantation | 21±3 d postoperativ | 28±3 d postoperativ | 75±15 d postoperativ). In den meisten Fällen zeigte sich vor Transplantation eine erhöhte Spotanzahl im Vergleich zu den drei postoperativen Werten. Zudem stiegen die Spotanzahlen sowohl für IFN-γ als auch für IL-17 nach niedrigen Messergebnissen kurz nach der Transplantation im postoperativen Verlauf wieder an und erreichten in einigen Fällen die Spotanzahl der präoperativen Ausgangswerte. Ein signifikanter Unterschied konnte aufgrund der geringen Fallzahl nicht erreicht werden. Die kurzfristige Reduktion der Spotanzahlen postoperativ ist dabei aller Wahrscheinlichkeit nach auf die hohen Dosen an immunsuppressiven Medikamenten zurückzuführen. Insgesamt zeigten die Verläufe der IFN-γ- und der IL-17- Elispot-Assays ähnliche Verläufe. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass der IL-17-Elispot- Assay in Bezug auf mögliche Abstoßungsreaktionen eine ähnliche Aussagekraft besitzen könnte wie der bereits vielfach untersuchte IFN-γ-Elispot-Assay. Weiterhin wurden die Messergebnisse mit der Serumkreatininmolarität verglichen. Diese zeigte präoperativ höhere Molaritäten als postoperativ, wobei die postoperativen Molaritäten im Verlauf, im Gegensatz zu den Elispot-Messungen, abnahmen, was das Einsetzen der Nierenfunktion widerspiegelt. Unter den zwölf Patientenpaaren gab es keine einzige nachgewiesene akute Abstoßungsreaktion, der Verlauf der Serumkreatininmolaritäten war bei allen zwölf Empfängern vergleichbar. Demzufolge konnten die Werte der Elispot-Assays nicht herangezogen werden, um an ihnen eine Abstoßungsreaktion der transplantierten Nieren erkennen zu können. Das präoperative Abschätzen einer möglichen Abstoßungsreaktion anhand der Elispot-Assays konnte aufgrund fehlender Abstoßungsreaktionen ebenfalls nicht untersucht werden. Zusätzlich wurde bei den Patienten eine HLA-Typisierung vorgenommen, wobei der Bereich von optimalen bis maximal ungünstigen Konstellationen reichten (HLA-Mismatch: 0-0-0 bis 2-2-2). Auch hier konnten die Ergebnisse nicht mit möglichen Abstoßungsreaktionen verglichen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden zahlreiche Varianten untersucht, die das Abschätzen einer Immunreaktion nach Nierentransplantation (Immunmonitoring) ermöglichen könnten. Aufgrund fehlender Abstoßungsreaktionen bei den Empfängern konnte das Testverfahren nicht an den klinischen Verläufen validiert werden. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Messverfahren kann jedoch eine neue und größer angelegte Studie erfolgen, die in Zukunft ein Immunmonitoring bei Patienten nach Nierentransplantation ermöglicht.:I Inhaltsverzeichnis................................................................I II Bibliographische Beschreibung....................................................................IV III Abkürzungsverzeichnis...................................................................................V 1 Einleitung...........................................................................................................01 1.1 Die T-Zell-vermittelte Immunität..................................................................01 1.1.1 Die verschiedenen Klassen der T-Lymphozyten................................ 01 1.1.2 Interferon-gamma als proinflammatorisches Zytokin......................... 04 1.1.3 Interleukin-17............................................................................................. 04 1.2 Die Nierentransplantation........................................................................... 05 1.2.1 Einführung.................................................................................................. 05 1.2.2 Besonderheiten der Lebendnierenspenden........................................ 06 1.3 Therapeutika bei Lebendnierenspenden................................................. 07 1.3.1 Calcineurininhibitoren............................................................................... 07 1.3.2 Prednisolon.................................................................................................. 08 1.3.3 Mycophenolat-Mofetil................................................................................. 09 1.4 Komplikationen bei Transplantationen....................................................... 10 1.4.1 Opportunistische Infektionen..................................................................... 10 1.4.2 Kardiovaskuläre und metabolische Erkrankungen................................ 11 1.4.3 Maligne Tumore.............................................................................................11 1.5 Transplantatrejektion........................................................................................ 12 1.5.1 Akute Abstoßungsreaktion............................................................................12 1.5.2 Chronische Transplantatnephropathie......................................................13 1.6 Zielsetzung der Arbeit.......................................................................................15 I2 Materialien und Methoden................................................................................. 16 2.1 Studiendesign.................................................................................................... 16 2.2 Materialien.......................................................................................................... 17 2.3 Methoden............................................................................................................ 19 2.3.1 Blutentnahmen................................................................................................ 19 2.3.2 Lymphozytenseparation.................................................................................19 2.3.3 Bestimmung der Zellzahl............................................................................... 20 2.3.4 Kryokonservierung der Zellen...................................................................... 20 2.3.5 Auftauen von kryokonservierten Zellen...................................................... 20 2.3.6 Bestrahlung von Zellen...................................................................................21 2.3.7 Stimulanzien.................................................................................................... 21 2.3.8 Durchflusszytometrie...................................................................................... 22 2.3.9 Elispot-Assay.................................................................................................... 23 3 Ergebnisse............................................................................................................... 29 3.1 Charakteristika der Patienten............................................................................ 29 3.2 Medikamentöse Therapieschemata nach Nierentransplantationen.......... 32 3.3 Versuche zur Etablierung des Elispot-Verfahrens......................................... 33 3.3.1 Vorversuche zum Nachweis von IFN-γ........................................................ 34 3.3.2 Vorversuche zum Nachweis von IL-17........................................................ 36 3.3.3 Versuche mit FKS-freiem Medium.................................................................37 3.3.4 Vitalitätsmessung in der Durchflusszytometrie.......................................... 38 3.4 Vergleich von Buffy Coats mit Patientenproben im Elispot-Assay..............38 3.5 Elispot-Assays der Spender-Empfänger-Paare............................................ 39 3.5.1 Ergebnisse der Elispot-Assays zum Nachweis von IFN-γ........................40 3.5.2 Ergebnisse der Elispot-Assays zum Nachweis von IL-17....................... 45 II3.6 Elispot-Ergebnisse unter Berücksichtigung der HLA-Kompatibilität........49 4 Diskussion............................................................................................................... 50 4.1 Bewertung der Methoden.................................................................................. 51 4.1.1 Patientenauswahl und -akquirierung........................................................... 51 4.1.2 Durchflusszytometrie....................................................................................... 51 4.1.3 Elispot-Assay..................................................................................................... 52 4.2 Vitalitätsmessung................................................................................................. 53 4.3 Elispot-Ergebnisse............................................................................................... 53 4.3.1 Vergleich der unbestrahlten und bestrahlten Elispot-Assays................... 53 4.3.2 Elispot-Assays der Patienten.......................................................................... 54 4.3.2.1 IFN-γ-Elispot-Assay........................................................................................ 54 4.3.2.2 IL-17-Elispot-Assay.........................................................................................56 4.3.2.3 IFN-γ-Elispot-Assay und IL-17-Elispot-Assay im Vergleich.................... 57 4.4 HLA-Merkmale und Serumkreatininmolarität...................................................58 4.5 Schlussfolgerung und Ausblick...........................................................................59 5 Zusammenfassung...................................................................................................62 6 Abstract...................................................................................................................... 65 7 Literaturverzeichnis................................................................................................. 67 8 Tabellenverzeichnis.................................................................................................83 9 Abbildungsverzeichnis........................................................................................... 84 10 Erklärung über die eigenständige Verfassung der Arbeit............................. 85 11 Lebenslauf..............................................................................................................86 12 Danksagung.......................................................................................................... 87 / Introduction Since the first kidney transplantation in the 1950ies, kidney transplantation is still being challenged by graft dysfunction and complete graft failure. Permanent immunsuppressive treatment is mandatory to avoid an unfavourable outcome. The treatment with Prednisolone, Tacrolimus and Mycophenolat-Mofetil may cause toxic side effects resulting in Diabetes mellitus, hypertension, infections and cancer. In the present study we tried to demonstrate that the amount of spots in the Enzyme linked immunospot assay (Elispot-Assay) of IFN-γ and IL-17 correlates with the probability of graft dysfuction and complete graft failure. We also compared the results to clinical parameters. Methods Between the years 2009 and 2012, twelve pairs of related living kidney transplantations were included in this study. From each pair blood samples were taken at four time points (before transplantation, and at 21±3, 28±3 and 75±15 days after kidney transplantation, respectively). After establishing the technique of IFN-γ- and IL-17-Elispot-Assays, we separated the periphale blood mononuclear cells (PBMC) and performed follow up examinations at the four time points mentioned above. The PBMC of each donor and each recipient were examined separatly, and in addition together in a lymphocyte mixed reaction. We stimulated the PBMC of the IFN-γ-Elispot with Interleukin-2 (IL-2) and the PBMC of the IL-17-Elispot with OKT3 to get significant characteristics. PBMC of the donors were irradiated with 30 Gy before mixing them with the PBMC of the recipients. We also took the HLA-matches and serum creatinine molarity to compare important clinical parameters with the results of the Elispot-Assays. Results Sufficient spots were measured using the unstimulated and stimulated IFN-γ-Elispot and the stimulated IL-17-Elispot. Radiation was significant at all three tests (IFN-γ: p=0,047 | IFN-γ + IL-2: p=0,007 | IL-17: p = 0,001). All twelve recipients showed a high number of spots before transplantation in both types of Elispot-Assays and most of them an increasing number of spots after a minimal turning point three weeks after transplantation. Due to the small number of cases, no significant results could be obtained at follow up. Non recipient developed a graft rejection as proven by biopsy or graft failure. The molarity of serum creatinine was permanently reduced whereas it was high before transplantation. Because of the abscence of any rejection episodes, HLA matches could not be compared. Discussion Due to the absence of rejection episodes or graft failure, no prediction for rejection by the IFN-γ- and IL-17-Elispot was possible. The low number of cases of living related kidney transplantation demonstrated the challange of the investigation of living related kidney transplantation. Although we could prove a significant effect of the irradiation of PBMC, there was no significant result in the follow up investigations. A higher number of cases are needed in future investigations. The established method of the IFN-γ- and IL-17-Elispot can be used in a future study with an extended number of cases and a longer follow up of time.:I Inhaltsverzeichnis................................................................I II Bibliographische Beschreibung....................................................................IV III Abkürzungsverzeichnis...................................................................................V 1 Einleitung...........................................................................................................01 1.1 Die T-Zell-vermittelte Immunität..................................................................01 1.1.1 Die verschiedenen Klassen der T-Lymphozyten................................ 01 1.1.2 Interferon-gamma als proinflammatorisches Zytokin......................... 04 1.1.3 Interleukin-17............................................................................................. 04 1.2 Die Nierentransplantation........................................................................... 05 1.2.1 Einführung.................................................................................................. 05 1.2.2 Besonderheiten der Lebendnierenspenden........................................ 06 1.3 Therapeutika bei Lebendnierenspenden................................................. 07 1.3.1 Calcineurininhibitoren............................................................................... 07 1.3.2 Prednisolon.................................................................................................. 08 1.3.3 Mycophenolat-Mofetil................................................................................. 09 1.4 Komplikationen bei Transplantationen....................................................... 10 1.4.1 Opportunistische Infektionen..................................................................... 10 1.4.2 Kardiovaskuläre und metabolische Erkrankungen................................ 11 1.4.3 Maligne Tumore.............................................................................................11 1.5 Transplantatrejektion........................................................................................ 12 1.5.1 Akute Abstoßungsreaktion............................................................................12 1.5.2 Chronische Transplantatnephropathie......................................................13 1.6 Zielsetzung der Arbeit.......................................................................................15 I2 Materialien und Methoden................................................................................. 16 2.1 Studiendesign.................................................................................................... 16 2.2 Materialien.......................................................................................................... 17 2.3 Methoden............................................................................................................ 19 2.3.1 Blutentnahmen................................................................................................ 19 2.3.2 Lymphozytenseparation.................................................................................19 2.3.3 Bestimmung der Zellzahl............................................................................... 20 2.3.4 Kryokonservierung der Zellen...................................................................... 20 2.3.5 Auftauen von kryokonservierten Zellen...................................................... 20 2.3.6 Bestrahlung von Zellen...................................................................................21 2.3.7 Stimulanzien.................................................................................................... 21 2.3.8 Durchflusszytometrie...................................................................................... 22 2.3.9 Elispot-Assay.................................................................................................... 23 3 Ergebnisse............................................................................................................... 29 3.1 Charakteristika der Patienten............................................................................ 29 3.2 Medikamentöse Therapieschemata nach Nierentransplantationen.......... 32 3.3 Versuche zur Etablierung des Elispot-Verfahrens......................................... 33 3.3.1 Vorversuche zum Nachweis von IFN-γ........................................................ 34 3.3.2 Vorversuche zum Nachweis von IL-17........................................................ 36 3.3.3 Versuche mit FKS-freiem Medium.................................................................37 3.3.4 Vitalitätsmessung in der Durchflusszytometrie.......................................... 38 3.4 Vergleich von Buffy Coats mit Patientenproben im Elispot-Assay..............38 3.5 Elispot-Assays der Spender-Empfänger-Paare............................................ 39 3.5.1 Ergebnisse der Elispot-Assays zum Nachweis von IFN-γ........................40 3.5.2 Ergebnisse der Elispot-Assays zum Nachweis von IL-17....................... 45 II3.6 Elispot-Ergebnisse unter Berücksichtigung der HLA-Kompatibilität........49 4 Diskussion............................................................................................................... 50 4.1 Bewertung der Methoden.................................................................................. 51 4.1.1 Patientenauswahl und -akquirierung........................................................... 51 4.1.2 Durchflusszytometrie....................................................................................... 51 4.1.3 Elispot-Assay..................................................................................................... 52 4.2 Vitalitätsmessung................................................................................................. 53 4.3 Elispot-Ergebnisse............................................................................................... 53 4.3.1 Vergleich der unbestrahlten und bestrahlten Elispot-Assays................... 53 4.3.2 Elispot-Assays der Patienten.......................................................................... 54 4.3.2.1 IFN-γ-Elispot-Assay........................................................................................ 54 4.3.2.2 IL-17-Elispot-Assay.........................................................................................56 4.3.2.3 IFN-γ-Elispot-Assay und IL-17-Elispot-Assay im Vergleich.................... 57 4.4 HLA-Merkmale und Serumkreatininmolarität...................................................58 4.5 Schlussfolgerung und Ausblick...........................................................................59 5 Zusammenfassung...................................................................................................62 6 Abstract...................................................................................................................... 65 7 Literaturverzeichnis................................................................................................. 67 8 Tabellenverzeichnis.................................................................................................83 9 Abbildungsverzeichnis........................................................................................... 84 10 Erklärung über die eigenständige Verfassung der Arbeit............................. 85 11 Lebenslauf..............................................................................................................86 12 Danksagung.......................................................................................................... 87

Einleitung Zytokine bewirken maßgeblich die Kommunikation und Koordination der zellulären und humoralen Effektorsysteme der angeborenen und erworbenen Immunität. Die Immunzellen stellen selbst die Hauptproduzenten der Zytokine dar. Pro- und anti-inflammatorische Zytokine nehmen nicht nur innerhalb der Zellkommunikation ablaufender Immun- und Entzündungsreaktionen eine Schlüsselrolle ein, sondern sind somit ebenso am Ablauf von Pathogenesen zahlreicher Erkrankungen beim Pferd beteiligt. Trotz verschiedener Studien anhand unterschiedlicher Modelle existiert keine einheitliche Datenlage zu validierten, vergleichbaren in vivo-nahen Zellkultursystemen, die es erlauben die Kinetiken equiner Zytokine als Grundlage zur weiterführenden Erforschung von Zytokinwechselwirkungen sowie zur Testung potentieller Arzneimittel abzubilden. Aktuell werden insbesondere Glukokortikoide weiterhin aufgrund ihrer anti-inflammatorischen und immunmodulatorischen Eigenschaften häufig, aber in Bezug auf Zytokine unspezifisch zur Therapie equiner Erkrankungen eingesetzt. Ziele der Untersuchung Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, eine einfache, schnelle, günstige und reproduzierbare Methodik zur ex vivo-Messung von Zytokinen (Tumornekrosefaktor-alpha [TNF-α], Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist [IL-1Ra] und Interferon gamma [IFN-γ]) und deren zeit- und konzentrationsabhängige Freisetzung in der equinen Vollblutzellkultur zu entwickeln. Anhand dessen sollte weiterführend der Effekt der Glukokortikoide Dexamethason (DEX) und Hydrocortison (HC) auf die Produktion von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ im equinen Vollblut untersucht werden. Zurzeit sind Zytokine, ihre Freisetzung sowie das Eintreten ihrer vermittelten Effekte Gegenstand der gegenwärtigen Forschung, mit dem Ziel spezifische Wechselwirkungen aufzuzeigen und somit zielgerichtete Therapeutika etablieren zu können. Insbesondere Pferde, die eine Anfälligkeit gegenüber mit Sepsis einhergehenden Erkrankungen oder für equines Asthma aufweisen, könnten davon profitieren. Material und Methoden Hierfür wurde Pferdevollblut, in den Verdünnungen zu 10%, 20% und 50% eingesetzt und mit Lipopolysaccharid (LPS), einer Kombination aus Phytohämagglutinin, Concanavalin A, Pokeweed-Mitogen und LPS (PCPwL) oder equinem rekombinantem TNF-a (erTNF-α) zur Zytokinfreisetzung stimuliert. Zur Erstellung der Zytokinkinetiken wurden Zellkulturüberstände zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt und die Konzentrationen von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ mit spezifischen enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) analysiert. In weiterführenden Versuchen wurden in der etablierten equinen Vollblutzellkultur DEX und HC in Konzentrationen von 10-12 - 10-5 M eingesetzt, um die LPS- oder PCPwL- induzierte Zytokinfreisetzung zu modulieren. Statistische Analysen erfolgten über die Berechnungen der Mittelwerte mit den dazugehörigen Standardfehlern. Signifikanzen wurden über ein- und zweifaktorielle ANOVA bestimmt. Ergebnisse Die durchgeführten Untersuchungen ergaben, dass die optimale Detektion der Zytokine in equinen Vollblutzellkulturen mit einem Blutanteil von 20% durchgeführt werden kann. TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ wurden zeitabhängig freigesetzt und zeigten unterschiedliche Freisetzungskinetiken. Die PCPwL- induzierte TNF-α- und IL-1Ra-Freisetzung stiegen jeweils kontinuierlich über 24 - 48 Stunden an. In ähnlicher Weise erreichte die LPS- stimulierte TNF-α-Konzentration ein Maximum zu Zeitpunkten zwischen 8 - 12 Stunden und begann daraufhin abzufallen, wohingegen die Konzentration von IL-1Ra 24 Stunden später gipfelte und vielmehr fortgeführt über 48 Stunden hinaus akkumulierte. Equines rekombinantes TNF-α konnte ebenso die IL-1Ra-Freisetzung induzieren. Die PCPwL-induzierte IFN-γ-Freisetzung begann zeitversetzt und verlief kontinuierlich ansteigend über 48 - 72 Stunden. In weiterführenden konzentrationsabhängigen Untersuchungen konnte anhand der equinen Vollblutzellkultur eine stärkere Suppression der LPS-induzierten TNF-α- und IL-1Ra-Produktion sowie der PCPwL-induzierten IFN-γ-Produktion durch DEX als durch HC nachgewiesen werden. DEX hemmte die Zytokinfreisetzung mit einer mittleren inhibitorischen Konzentration (IC50) von 0,09 μM (TNF-α), 0,453 μM (IL-1Ra) und 0,001 μM (IFN-γ), während HC IC50 Werte von 1,45 μM (TNF-α), 2,96 μM (IL-1Ra) und 0,09 μM (IFN-γ) aufwies. Schlussfolgerungen Schlussfolgernd kann zusammengefasst werden, dass sich das Model der equinen Vollblutzellkultur hervorragend eignet, um nach erfolgreicher Mitogenstimulation den zeitabhängigen Freisetzungsverlauf von Zytokinen evaluieren zu können. Somit bietet das Model der equinen Vollblutzellkultur durch die Vorteile einer einfachen, günstigen Durchführung im in vivo-nahen, physiologischen Milieu, die Möglichkeit den Zytokinstatus gesunder sowie kranker Pferde zu beurteilen und stellt seinen Nutzen und die Verlässlichkeit unter Beweis potentielle Arzneimittel und immunologische Zusammenhänge des Pferdes untersuchen zu können.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74 / Introduction The communication and coordination between the cellular and humoral effector compartments of the innate and adaptive immunity were mainly accomplished by cytokines. Immunocompetent cells themselves represent the main source for cytokines. Pro- and anti-inflammatory cytokines not only play a pivotal role within the cell signaling of expiring immune- and inflammatory reactions but also take part in the pathogenesis of several equine diseases. Despite various studies based on different experimental setups no uniform availability of data about validated, comparable in vivo cell culture systems exists which enables the description of the kinetically time course of cytokines as foundation of further investigations of cytokine interactions as well as the testing of potential drugs. These days especially glucocorticoids are still frequently used for treatment of equine diseases because of their anti-inflammatory and immunomodulatory, but with respect to cytokines unspecific properties. Objectives of the investigations The aim of the study was to develop an easy, quick, cheap and reproducible ex vivo method for measuring cytokines (tumor necrosis factor alpha [TNF-α], interleukin-1 receptor antagonist [IL-1Ra] and interferon gamma [IFN-γ]) and their time- and concentration-dependent release in the equine whole blood cell culture. Whereby the impact of the glucocorticoids dexamethasone (DEX) and hydrocortisone (HC) on production of TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ should be investigated subsequently. Currently, cytokines, their release and eventuation of their mediated effects are objects of actual research with the aim to reveal specific interactions and thus be able to establish purposeful therapeutic agents. This could be beneficial especially for horses which display a susceptibility to septic diseases or equine asthma. Material and Methods Therefore horse whole blood diluted to 10%, 20% and 50% was stimulated with lipopolysaccharide (LPS), a combination of phytohemagglutinin, concanavalin A, pokeweed mitogen and LPS (PCPwL) or equine recombinant TNF-α (erTNF-α). To generate cytokine kinetics TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were analyzed in culture supernatants, which were collected at different time points using specific enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). In further investigations within the equine whole blood cell culture DEX and HC were applied with concentrations between 10-12 and 10-5 M to modulate LPS- or PCPwL-induced cytokine release. Statistics were performed by calculation of means with associated standard errors. Statistical significances were assessed by one- and two-way analysis of variance. Results The evaluations revealed that cytokines could be detected optimal in whole blood cell cultures with 20% blood volume. TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were released time-dependently and differing kinetics were displayed. PCPwL-induced TNF-α and IL-1Ra release was enhanced continuously over 24 - 48 hours, respectively. Similarly, LPS-stimulated TNF-α was at maximum at time points between 8 - 12 hours and started to decrease thereafter, whereas IL-1Ra peaked 24 hours later and rather continued to accumulate beyond 48 hours. ErTNF-α could induce also the IL-1Ra release. PCPwL- induced IFN-γ release started time displaced and showed a continuously enhanced course over 48 - 72 hours. In subsequent investigations within equine whole blood cell culture, LPS-induced TNF-α and IL-1Ra as well as PCPwL-induced IFN-γ production were more potently suppressed concentration-dependently by DEX than by HC. DEX inhibited cytokine release with the inhibition concentration (IC50) 0.09 μM (TNF-α), 0.453 μM (IL-1Ra) and 0.001 μM (IFN-γ), whereas HC with IC50 values of 1.45 μM (TNF-α), 2.96 μM (IL-1Ra) and 0.09 μM (IFN-γ). Conclusion In conclusion our results could suggest the eminent suitability of equine whole blood cell culture to assess the release of a variety of cytokines following successful mitogen stimulation. Therefore the model of the equine whole blood cell culture provides, because of its advantages including simple and cheap performance in an in vivo close physiological ambient, the opportunity to evaluate the cytokine status of healthy and diseased horses. Furthermore it could give the proof of its benefit and reliability to evaluate potential equine drugs and immunological coherences of the horse.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74

The quality of immune responses develops from birth into adulthood and in the context of the host microbial environment. The aim of this work was to study immune maturation during childhood, and how this process can be affected by the common herpesviruses; Epstein-Barr virus (EBV) and cytomegalovirus (CMV). In paper I we studied monocytes, an important cell type for immunity in the newborn. We showed that the neonatal monocyte subsets exist in similar frequencies as adult subsets, and have a potent capacity for pro-inflammatory cytokine production. In paper II, III and IV we studied the effects of EBV and CMV infections on immune cell function in children. In paper II we found that monocyte-induced NK-cell production of IFN-γ, and plasma IFN-γ levels, were decreased in 2-year old EBV- and/or CMV-seropositive children and mostly so in co-infected children. In paper III we found that in 5-year old children, EBV and CMV co-infection was associated with the highest levels of differentiated NKG2C+ NK cells. CMV+ children had higher plasma IFN-γ and IL-15 levels and higher NK-cell cytotoxic capacity. In vitro PBMC systems showed elevated frequencies of NKG2C+ NK cells in the presence of EBV-infected cells. In paper IV we showed that a child’s age and subsequent capacity for anti-viral cytokine production affects in vitro EBV infection in terms of B-cell proliferation and B-cell acquisition of memory phenotype. PBMC from CMV+ children had lower EBV-induced accumulation of switched memory B cells, which was connected to high prevalence of CD57+CD8+ T cells and IFN-γ production. Taken together, this thesis work shows that monocyte subsets at birth can give potent functional responses and that latency with EBV and CMV has a significant effect on the differentiation process and functional capacity of anti-viral effector cells during childhood. This in turn could affect responses to related or unrelated infections or even to non-invasive antigens such as allergens. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.</p>

Στην επίκτητη απλαστική αναιμία (ΑΑ) ο υποκυτταρικός μυελός και η πανκυτταροπενία στο περιφερικό αίμα είναι αποτέλεσμα βλάβης των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα της νόσου είναι η ποσοτική αλλά και ποιοτική διαταραχή της stem cell δεξαμενής. Κλινικά και εργαστηριακά ευρήματα προτείνουν το σημαντικό ρόλο του ανοσοποιητικού συστήματος και ειδικά των Τ λεμφοκυττάρων στην ανάπτυξη της απλαστικής αναιμίας. Σήμερα, πλέον, είναι ευρύτερα αποδεκτό ότι η καταστολή του μυελού, που παρατηρείται στην ιδιοπαθή απλαστική αναιμία, είναι αποτέλεσμα της υπερπαραγωγής των μυελοκατασταλτικών κυτταροκινών IFN-γ και TNF-α από διεγερμένα CD8+ κυτταροτοξικά λεμφοκύτταρα, τα οποία συναντούμε τόσο στο περιφερικό αίμα όσο και στο μυελό ασθενών με απλαστική αναιμία. Οι κυτοκίνες αυτές παρουσιάζουν μάλλον προσθετική αντί συνεργική δράση, η οποία σχετίζεται με την IFN-γ-εξαρτώμενη αύξηση της έκφρασης του Fas στα CD34+ κύτταρα και από την IFN-γ-επαγώμενη έκκριση του TNF-α από τα μακροφάγα. Μελέτες έχουν δείξει ότι τόσο τα CD34+ όσο και τα BMMNC κύτταρα του μυελού των ασθενών με ΑΑ είναι περισσότερα αποπτωτικά σε σχέση με φυσιολογικούς μυελούς. Στόχος της διατριβής ήταν η περαιτέρω μελέτη των μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται στην ανοσολογικής προέλευσης απλαστική αναιμία. Λόγω, όμως, του ότι η απλαστική αναιμία είναι μια σπάνια νόσος, η παρουσία ενός εύκολα αναπαραγώγιμου in vitro μοντέλου μυελικής απλασίας θα βοηθούσε περισσότερο στη μοριακή μελέτη αυτής. Στη μελέτη μας, η αναπαραγωγή του καταλληλότερου μοντέλου μυελικής απλασίας επιτεύχθηκε με την προσθήκη των μυελοκατασταλτικών κυτταροκινών IFN-γ και TNF-α σε φυσιολογικό σύστημα μακράς διάρκειας καλλιέργειας μυελού των οστών. Στο μοντέλο αυτό έγινε διερεύνηση των μοριακών μονοπατιών των σχετιζομένων με την Fas και TRAIL επαγόμενη απόπτωση. Παράλληλα, έγινε σύγκριση των δεδομένων από το in vitro μοντέλο με τα αποτελέσματα της παράλληλης μελέτης των αντίστοιχων μοριακών παραμέτρων σε κύτταρα μυελού ασθενών με απλαστική αναιμία. Στο IFN-γ/ΤNF-α μοντέλο παρατηρήθηκε σημαντική μείωση τόσο των πιο άωρων LTC-IC όσο και των πιο δεσμευμένων προγονικών κυττάρων, σε σχέση με τις καλλιέργειες-μάρτυρες. Επιπλέον, τα αποτελέσματα των πρωτογενών και δευτερογενών καλλιεργειών βραχείας διάρκειας σε μυελικά κύτταρα ασθενών με ενεργό νόσο, επιβεβαίωσαν το χαρακτηριστικό γνώρισμα της απλαστικής αναιμίας, δηλαδή, το μειωμένο αριθμό προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων. Η επώαση φρέσκων φυσιολογικών μυελικών κυττάρων, σε 5-6 εβδομάδων LTBMC σύστημα, με συνδυασμό των TNF-α/IFN-γ παραγόντων οδηγεί σε αύξηση της Fas mRNA έκφρασης στα CD34+ κύτταρα, κάτι που δεν παρατηρείται στα, αντίστοιχα, φρέσκα και στα 5-6 εβδομάδων κύτταρα-μάρτυρες. Το εύρημα αυτό σε συνδυασμό με τη χαμηλή mRNA έκφραση της caspase 3 καθώς και την απουσία έκφρασης των Bcl-2, Bax και της caspase 8 στον ίδιο πληθυσμό, προτείνουν το σημαντικό ρόλο του external μονοπατιού επαγωγής της απόπτωσης, όπως αυτό ρυθμίζεται από την δράση των μυελοκατασταλτικών κυτοκινών TNF-α/IFN-γ. Παράλληλα, η παρουσία χαμηλής Bcl-2 mRNA έκφρασης, στα CD34+ κύτταρα, τονίζει τη σημασία της αναλογίας προ-αποπτωτικών/αντι-αποπτωτικών σημάτων στη κυτταρική έκβαση. To σημαντικότερο, πάντως, εύρημα του TNF-α/IFN-γ μοντέλου είναι η συνεχής TRAIL mRNA έκφραση, στα CD34+ κύτταρα αυτού, κάτι το οποίο δεν έχει αναφερθεί, ως τώρα, στη βιβλιογραφία. Η μοριακή ανάλυση των μυελικών κυττάρων των ΑΑ ασθενών απεκάλυψε, εκτός της Fas mRNA έκφρασης στα BMMNC και/ή στα CD34+ κύτταρα, την αυξημένη TRAIL mRNA έκφραση στο CD34+ κυτταρικό πληθυσμό των ασθενών με ενεργό νόσο. Αντίθετα, στους ασθενείς σε ύφεση, απουσιάζει η έκφραση και των δύο γονιδίων στον ίδιο πληθυσμό. Ενώ, στα BMMNC η έκφραση του TRAIL mRNA παραμένει, ένα συνεχές εύρημα, ακόμη και στους ασθενείς σε ύφεση. Επιπρόσθετα, η μειωμένη έκφραση των αντι-αποπτωτικών γονιδίων Bcl-xl και/ή Bcl-2 στα BMMNC όλων των ασθενών και του Bcl-xl στα CD34+ κύτταρα των ασθενών με ενεργό νόσο, δείχνει «ανίκανη» να αναστείλλει το μηχανισμό της απόπτωσης στους AA ασθενείς. Το γεγονός ότι η έκφραση του TRAIL mRNA είναι συνεχής στο CD34+ κυτταρικό πληθυσμό του TNF-α/IFN-γ μοντέλου και μόνο στα CD34+κύτταρα ΑΑ ασθενών με ενεργό νόσο, δείχνει τη σημαντικότητα του συγκεκριμένου μορίου στην απόπτωση των προγονικών κυττάρων στη μυελική απλασία. Συμπερασματικά, το μοντέλο μυελικής απλασίας που τελικά επιλέξαμε επιβεβαιώνει προηγούμενη γνώση της συμμετοχής των TNF-α και IFN-γ στη παθοφυσιολογία της απλαστικής αναιμίας. Παράλληλα, τα μοριακά δεδομένα, τόσο του μοντέλου όσο και των ασθενών με απλαστική αναιμία, ενισχύουν την εμπλοκή του Fas/FasL στη παθογένεση της νόσου και προτείνουν την πιθανή συμμετοχή του TRAIL/Apo2L στην όλη διαδικασία. / In aplastic anemia (AA) the hypocellular bone marrow and blood pancytopenia occur as a result of damage to hematopoietic stem cells . Previous studies have shown that a profound quantitative and qualitative defect in the stem cell compartment is a common feature in most patients with AA. Clinical and laboratory data suggest that the immune system, especially T lymphocytes, have an important role in the development of AA. It is well established that IFN-γ and TNF-α mediate hematopoietic stem cell suppression in aplastic anemia. These proinflammatory cytokines exhibit additive rather than synergistic effect, which may be mediated by the IFN-γ-dependent increase in Fas expression on CD34+ progenitor cells and by the IFN-γ-inducible secretion of TNF-α by macrophages. Bone marrow total mononuclear and progenitor cells from aplastic anemia patients are more apoptotic than cells from normal donors, indicating that apoptosis may be a major mechanism of stem cell loss in aplastic anemia. The aim of our study was to investigate the molecular mechanisms involved in the immune-mediated pathology of aplastic anemia. Since aplastic anemia is a rare disease the existence of an easily reproducible model of in vitro hematopoietic cell suppression can facilitate studies concerning the molecular pathways of this disease. In our study, we reproduced such a model with the addition of the myelosuppressive cytokines IFN-γ and TNF-α in a normal long term bone marrow culture system. In this model, we examined the Fas mediated pathway of apoptosis and especially the correlation between TRAIL expression and myelosuppression. We, also, studied these parameters in marrow cells from aplastic anemia patients. The IFN-γ and TNF-α inhibitory cytokines appeared to affect both immature LTC-ICs and more commited progenitor cells capable of lineage-specific colony formation (CFCs). In addition our progenitor cell assays results in patients, supported this unifying feature of reduced haematopoietic progenitor cells in aplastic anemia. TNF-α and IFN-γ treatment up-modulated Fas expression and induced apoptosis of 5-6 weeks cultured normal CD34+ cells, while normal freshly isolated and 5-6 weeks untreated cultured CD34+ cells showed no Fas mRNA expression. This finding, along with the low mRNA expression of caspase 3 and the absence of Bcl-2, Bax and caspase 8 expression, proposes the major role for activation of the extrinsic apoptosis pathway due to treatment of BMMNC with TNF-α and IFN-γ. In parallel, the existence of the low Bcl-xl mRNA expression in the same cell compartment points to the importance of the ratio of pro-apoptotic to anti-apoptotic signals, in cell fate. The most interesting finding is the constant TRAIL mRNA expression on CD34+ cells in TNF-α/IFN-γ treated LTBMC, something not mentioned before. Molecular analysis of patients’ marrow cells revealed, apart from Fas mRNA expression in BMMNC and/or CD34+ cells, TRAIL mRNA expression in CD34+ cell population in active disease. Ιn contrast, in patients in remission, both Fas and TRAIL mRNA expression does not exist. Instead, in BMMNC’s cell compartment TRAIL mRNA expression remains a constant finding even in patients in remission. Additionally, the decreased expression of anti-apoptotic bcl-xl and/or bcl-2 in all patients’ BMMNCs and bcl-xl expression in CD34+ cells from patients with active disease, seems unable to inhibit the mechanism of apoptosis in aplastic anemia patients. In our study, the fact that the expression of TRAIL was constant on CD34+ cells in TNF-α/IFN-γ treated LTBMC and only in CD34+ cells of patients with active disease, points out its significance in apoptosis of progenitor cells. In conclusion, our in vitro model of hematopoietic suppression confirmed previous knowledge for participation of TNF-α and IFN-γ in the pathophysiology of marrow failure in aplastic anemia. In parallel, the molecular data both from the in vitro model, as well as from patients with aplastic anemia, reinforce the implication of Fas/FasL pathway in the pathogenesis of this disease and propose a probable role for TRAIL/Apo2L in the process.

Η λεπτίνη παράγεται από τα κύτταρα του λιπώδους ιστού, καθώς και από άλλους ιστούς συμπεριλαμβανομένων του πλακούντος και ρυθμίζει τη πρόσληψη τροφής, τη κατανάλωση ενέργειας, την αναπαραγωγική διαδικασία και τις ανοσολογικές λειτουργίες. Για τη διερεύνηση του ρόλου της λεπτίνης επί του νεογνικού ανοσολογικού συστήματος μετρήσαμε τα επίπεδα λεπτίνης και κυτταροκινών (INF-γ, TNF-α, IL-2, IL-4, IL-10 και IL-12) στον ορό αίματος ομφαλίου λώρου 481 φυσιολογικών νεογνών τα οποία γεννήθηκαν από υγιείς μητέρες. 317 ήταν νεογνά με ιδανικό βάρος γέννησης για την ηλικία κύησης (AGA) και 164 έφεραν αυξημένο βάρος για την ηλικία κύησης (LGA). Η ενδιάμεση συγκέντρωση λεπτίνης σε ολόκληρο το δείγμα ήταν 11.6 ng/ml. Στο 12% AGA νεογνών, τα επίπεδα λεπτίνης ήταν υψηλότερα του μέσου όρου (ενδιάμεση τιμή 34 ng/ml). Στο 33% των νεογνών αυτών (4% του ολικού δείγματος) τα επίπεδα λεπτίνης κυμαίνονταν μεταξύ 37.5-204 ng/ml, στην ομάδα αυτή βρέθηκαν επίσης υψηλά επίπεδα ιντερφερόνης-γ (μέση τιμή 27.11 pg/ml, διακύμανση 17.5-38.5 pg/ml). Κατόπιν μελετήσαμε εάν η λεπτίνη μπορεί να επηρεάσει τη γονιδιακή έκφραση κυτταροκινών στα Τ κύτταρα και μονοκύτταρα αίματος ομφαλίου λώρου. Η καλλιέργεια των κυττάρων ομφαλίου λώρου (Τ ή μονοκυττάρων) AGA νεογνών, τυχαία επιλεγμένων ή κυττάρων περιφερικού αίματος ενηλίκου, με λεπτίνη είχε σαν αποτέλεσμα τη γονιδιακή έκφραση IL-2, INF-γ και IL-4 από τα κύτταρα του ομφαλίου λώρου, καθώς και από τα Τ κύτταρα του ενηλίκου όπως και την έκφραση IL-10 κυρίως από τα μονοκύτταρα αίματος ομφαλίου λώρου. Σημαντικά υψηλότερη γονιδιακή έκφραση INF-γ παρατηρήθηκε σε Τ κύτταρα ομφαλίου λώρου θήλεος τα οποία καλλιεργήθηκαν με λεπτίνη συγκριτικά με τα Τ κύτταρα ομφαλίου λώρου άρρενος. Συμπερασματικά, η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων λεπτίνης και INF-γ στον ορό αίματος ομφαλίου λώρου φυσιολογικών AGA νεογνών, καθώς και το γεγονός ότι η λεπτίνη μπορεί άμεσα να διεγείρει τη γονιδιακή έκφραση κυτταροκινών σε κύτταρα ομφαλίου λώρου (Τ και μονοκύτταρα) δείχνει ότι τα υψηλά επίπεδα λεπτίνης μπορούν ανεξάρτητα να επηρεάσουν το ανοσολογικό σύστημα των φυσιολογικών νεογνών και να συμβάλλουν στη Th1 διαφοροποίηση της ανοσολογικής απόκρισης. / Leptin is a hormone synthesized by adipocytes and other tissues, including the placenta, and it regulates food intake and energy expenditure, reproductive and immune functions. To investigate the role of leptin in neonatal immunity, we measured serum leptin and cytokine (INF-γ, TNF-α, IL-2, IL-4, IL-10, IL-12) levels in cord blood (cb) of 481 healthy neonates, born to healthy mothers, of which 317 were appropriately grown for gestational age (AGA) and 164 were large for gestational age (LGA). The median serum leptin concentration in the whole sample was 11.6 ng/ml. In 12% AGA neonates, leptin levels were well above average, with a median of 34 ng/ml. In 33% of these neonates (4% of the total sample) leptin levels ranged between 37.5-204 ng/ml; in this group, significantly elevated levels of serum IFN- were also found (mean 27.11 pg/ml, range 17.5-38.5 pg/ml). We then investigated whether leptin can independently influence cytokine gene expression by cb T-cells and monocytes (Mc). Culture of cb T-cells or Mc, isolated from randomly selected AGA neonates or adult peripheral blood mononuclear cells (PBMC), with leptin, resulted in upregulation of IL-2, IFN- and IL-4 gene expression in cb and adult T-cells and IL-10 gene expression mainly in cb-Mc. Significantly higher expression of IFN- occurred in female cb-T-cells cultured with leptin, compared with male cb-T-cells. In conclusion, the concurrent presence of high concentrations in both leptin and INF- in cb of healthy AGA infants, together with the fact that leptin can directly upregulate cytokine gene expression in cb T and Mc cells, indicate that abnormally high leptin levels can independently influence the immune system of healthy newborns, and may mediate gender differences in the development of a Th1 polarized immune response.

Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) is an effective therapeutic option for many malignant diseases. However, the efficacy of allo-HSCT is limited by the occurrence of destructive graft-versus-host disease (GVHD). Since allogeneic T cells are the driving force in the development of GVHD, their activation, proliferation, and differentiation are key factors to understanding GVHD pathogenesis. On the other hand, antigen-presenting cells (APCs) are essential for allogeneic T-cell priming and the development of GVHD. The T-box transcription factor T-bet is a master regulator for IFN-γ production and Th1 differentiation. T-bet also regulates the functions of APCs including dendritic cells (DCs) and B cells. Therefore, we investigated the role of T-bet in T cell responses, as well as on APC functions, in acute GVHD (aGVHD) using murine models of allogenic bone marrow transplantation (allo-BMT). In Chapter 2, we evaluated the roles of T-bet and IFN-γ in T-cell responses. T-bet-/- T cells induced significantly less GVHD compared with either wild-type (WT) or IFN-γ-/- counterparts in CD4-driven major histocompatibility complex (MHC)- or minor histocompatibility antigen (miHA)-mismatched models. We defined several T-bet-dependent but IFN-γ-independent molecules that may account for this distinct outcome. Further study indicates that T-bet also controls the optimal activity of Th17 cells to induce GVHD. Moreover, the compromised graft-versus-leukemia (GVL) effect of T-bet-/- T cells could be essentially reversed by IL-17 neutralization. Thus, targeting T-bet or regulating its downstream effectors independent of IFN-γ may be a promising strategy to control GVHD in the clinic. In Chapter 3, we evaluated the role of T-bet on APCs and found that T-bet-/- recipients developed much milder GVHD than their WT counterparts in MHC-mismatched or CD4-depedent miHA-mismatched models. As the functional readout of APCs, allogeneic donor T cells, particular CD4 subpopulation, significantly reduced IFN-γ production, proliferation and migration, and caused less damage in liver and gut in T-bet-/- recipients. We further observed that T-bet on recipient hematopoietic APCs, particular DCs, was primarily responsible for donor T-cell response and pathogenicity in GVHD. In fact, Trail/DR5 interaction served as a major signaling pathway responsible for donor T-cell apoptosis and impaired GVHD development in T-bet-/- recipients. Furthermore, T-bet expression on the host is largely dispensable for the GVL effect. Taken together, we propose that T-bet is a potential therapeutic target for the control of GVHD through regulating T cells as well as APCs. We believe further exploration and understanding of the immunobiology of T-bet in controlling the activities of T cells and APCs in GVHD will expand therapeutic options for the continuing success of allo-HSCT.

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Lung cancer is one of the main causes of death worldwide, with most patients suffering from an advanced unresectable or metastatic non-small cell lung cancer. The mortality trends are mostly related to patterns of tobacco use, specifically from cigarettes. Tobacco is the basic etiological agent found as a consequence of the inhalation of tobacco smoke. Published data show the use of interferons (IFNs) in the treatment of lung tumours due to their potential in displaying antiproliferative, anti-angiogenic, immunoregulatory, and proapoptotic effects. Type1 IFNs have been employed as treatments for many types of cancer, both for haematological cancers and solid tumours. The IFN-γ (naked) functions as an anticancer agent against various forms of cancer. Hence, this study aimed to investigate the genoprotective and genotoxic effects of IFN-γ liposome (nano) on 42 blood samples from lung cancer patients, compared to the same sample size from healthy individuals. The effectiveness of IFN- γ liposome against oxidative stress was also evaluated in this study. A concentration of 100U/ml of IFN-γ liposome was used to treat the lymphocytes in: Comet and micronucleus assays, Comet repair, Western blotting and real-time polymerase chain reaction (qPCR) were based on a preliminary test for the optimal dose. The lymphocytes from lung cancer patients presented with higher DNA damage levels than those of healthy individuals. IFN-γ liposome was not found to induce any DNA damage in the lymphocytes. Also, it caused a significant reduction in DNA damage in the lymphocytes from lung cancer patients in; Comet, Comet repair and micronucleus assays. Furthermore, the 100U/ml of IFN-γ liposome significantly reduced the oxidative stress caused by H2O2 and appeared to be effective in both groups using the Comet and micronucleus assays. Results from; Comet, Comet repair and micronucleus assays were consistent. The data obtained indicated that IFN-γ in both forms (naked INF-γ and INF-γ nano-liposome) may potentially be effective for the treatment of lung cancer and showed the ability of IFN-γ liposome to reduce the DNA damage more than the naked form. The IFN-γ in both forms has also shown anti-cancer potential in the lymphocytes from lung cancer patients by regulating the expression of p53, p21, Bcl-2 at mRNA and protein levels by up-regulating the p53 and p21 to mediate cell cycle arrest and DNA repair in lung cancer patients. The findings of this study are consistent with the view that the naked IFN-γ and liposome could have a significant role in cancer treatment, including lung cancer. / Mutah University in Jordan