Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um experimentelle Untersuchungen zu funktionellen Aspekten der neurovaskulären Einheit im Tiermodell. Mittels Licht,- Fluoreszenz- und der Elektronenmikroskopie sowie diverser immunhistochemischer Nachweisverfahren konnten wir verschiedene Populationen der neurovaskulären Einheit näher charakterisieren. So konnten wir nachweisen, dass im Hirnparenchym eine Population CD11c-positiver, dendritischer Zellen existiert, welche im gesunden Gehirn hauptsächlich an Prädilektionsstellen für Entmarkungsherde im Rahmen der Multiplen Sklerose vorkommt. Weiterhin zeigten wir im Tiermodell, dass die über Diphterietoxin vermittelte Oligodendrozytendepletion mit einer Demyelinisierung der Axone im Gehirn einhergeht, wobei die Freisetzung und Drainage der Antigene in zervikale Lymphknoten keine gegen das Gehirn gerichtete Autoimmunität auslöst. Ebenso untersuchten wir den Beitrag endothelialer Tight junctions zur Bluthirnschrankenstörung im Modell der fokalen Ischämie an der Ratte. Hierbei waren wir in der Lage nachzuweisen, dass entgegengesetzt zur herrschenden Lehrmeinung diese nicht verantwortlich für die erhöhte Gefäßpermeabilität im Rahmen des Schlaganfalls im Tiermodell zu sein scheint. Vielmehr konnten wir mit Hilfe der Elektronenmikroskopie einen neuen Mechanismus aufzeigen. Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse bezüglich der Interaktion der verschiedenen Populationen der neurovaskulären Einheit und können somit zur Entwicklung neuer Modelle verschiedener Pathologien des Zentralnervensystems beitragen.

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um experimentelle Untersuchungen zu funktionellen Aspekten der neurovaskulären Einheit im Tiermodell. Mittels Licht,- Fluoreszenz- und der Elektronenmikroskopie sowie diverser immunhistochemischer Nachweisverfahren konnten wir verschiedene Populationen der neurovaskulären Einheit näher charakterisieren. So konnten wir nachweisen, dass im Hirnparenchym eine Population CD11c-positiver, dendritischer Zellen existiert, welche im gesunden Gehirn hauptsächlich an Prädilektionsstellen für Entmarkungsherde im Rahmen der Multiplen Sklerose vorkommt. Weiterhin zeigten wir im Tiermodell, dass die über Diphterietoxin vermittelte Oligodendrozytendepletion mit einer Demyelinisierung der Axone im Gehirn einhergeht, wobei die Freisetzung und Drainage der Antigene in zervikale Lymphknoten keine gegen das Gehirn gerichtete Autoimmunität auslöst. Ebenso untersuchten wir den Beitrag endothelialer Tight junctions zur Bluthirnschrankenstörung im Modell der fokalen Ischämie an der Ratte. Hierbei waren wir in der Lage nachzuweisen, dass entgegengesetzt zur herrschenden Lehrmeinung diese nicht verantwortlich für die erhöhte Gefäßpermeabilität im Rahmen des Schlaganfalls im Tiermodell zu sein scheint. Vielmehr konnten wir mit Hilfe der Elektronenmikroskopie einen neuen Mechanismus aufzeigen. Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse bezüglich der Interaktion der verschiedenen Populationen der neurovaskulären Einheit und können somit zur Entwicklung neuer Modelle verschiedener Pathologien des Zentralnervensystems beitragen.

Seit der Entdeckung, dass das ZNS ein immunprivilegiertes Organ ist, wurde dies vor allem durch das Fehlen einer afferenten zellulären immunologischen Versorgung erklärt, also dem Fehlen einer zur Auswärtsmigration fähigen APZ- Population im Parenchym und der fehlenden Versorgung des ZNS mit Lymph- gefäßen. In letzter Zeit wurde dieses Erklärungsmodell sowohl prinzipiell als auch experimentell in Frage gestellt. Durch die Verwendung von transgenen Mäusen, die unter dem Promoter von CD11c GFP (green fluorescent protein) exprimieren, konnten wir zum ersten Mal im ZNS-Parenchym von gesunden Mäusen eine CD11c-positive Zellpopulation nachweisen. Diese Zellen zeigen morphologisch starke Ähnlichkeit zu DZs und sind vor allem dort zu finden, wo sich im Rahmen der MS-Erkrankung Demyelinisierungen finden lassen. Mit ihren Fortsätzen sind sie teilweise an der Bildung der glia limitans beteiligt, stehen also in enger anatomischer Beziehung zum perivaskulären Raum. In diesem Raum findet die Selektion der Lymphozyten statt, denen ein Übertritt in das ZNS ermöglicht wird. Eine Beteiligung der CD11c-positiven Zellpopulation an diesem Prozess ist wahrscheinlich. Um diese Zellen genauer zu typisieren isolierten wir mithilfe eines einheitlichen Isolationsprotokolls mononukleäre Zellen aus Gehirn, Lunge, Leber und Milz von Wildtypmäusen und untersuchten diese nach immunologischer Färbung von CD11b, CD11c, CD45, CD80, CD86, F4/80, CD103, CCR2, CX 3 CR1 und Flt 3 mittels Durchflusszytometrie. Hiermit konnten wir zeigen, dass sich in den verschiedenen Organen stark heterogene, umgebungsspezifische CD11c-positive Zellpopulationen finden. Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass Mikro- glia, charakterisiert durch ihre intermediäre Expression von CD45, eine äußerst geringe Expressivität von MHC-II aufweisen. Zusätzlich kultivierten wir isolier- te mononukleäre Zellen aus Hirngewebe und aus der Milz von MHC-II-eGFP Mäusen auf organotypischen Schnittkulturen, die aus dem Hippocampus (engl.: organotypical hippocampal slice cultures - OHSC), respektive der Milz (engl.: organotypical spleen slice cultures - OSSC) von Wildtyptieren gewonnen wurden. Hier konnten wir am lebenden Gewebe über einen Zeitraum von mindestens 72 Stunden mittels konfokaler Mikroskopie eine umgebungsspezifische Adaption der eingebrachten transgenen MHC-II-eGFP-positiven Zellpopulation zeigen. Aus Milzgewebe isolierte mononukleäre Zellen, die auf OHSC kultiviert wurden, ramifizierten und verringerten ihre Expression von MHC-II; wurden diese auf OSSC kultiviert, behielten sie ihre amöboide Form und zeigten eine hohe Ex- pression von MHC-II. Mononukleäre Zellen aus Hirngewebe ramifizierten auf OHSC und zeigten eine geringe Expression von MHC-II; auf OSSC blieben diese Zellen amöboid und zeigten keine signifikante Expression von MHC-II. Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass sowohl Umgebungsfaktoren als auch der Ur- sprung dieser mononukleären Zellen ihre immunologische Funktion beeinflussen können. Um der Frage nachzugehen, welche immunologische Funktion die CD11c-positive Zellpopulation im ZNS unter neuroinflammatorischen Bedingungen besitzt und ob sich Anzeichen für eine Auswärtsmigration dieser Zellen finden lassen, verwendeten wir myeloablativ bestrahlte CD11-GFP transgene Tiere, denen wildtyp Knochenmark transplantiert wurde und in denen EAE induziert wurde. Vorangegangene Arbeiten hatten eine mechanische Zerstörung von natürlichen Barrieren, u.a. von Blutgefäßen mit ihren Endothelien, Lymphgefäßen der Haut und der Subcutis, neuronalem Gewebe, Hirnhäuten, etc., in Kauf genommen, um Farbstoffe oder Zellen einzubringen. Durch die Chimärisierung wird eine – nicht vollumfängliche – Trennung der zentralnervösen DZ-Population und ihrem systemischen Gegenstück ohne o.g. mechanische Zerstörung von physiologischen Barrieren erreicht. So kann die Mehrheit der transgener Zellen, die sich 6 bis 8 Wochen nach Chimärisierung findet, dem ZNS zugeordnet werden. Mono- nukleäre Zellen aus homogenisiertem Hirngewebe dieser Tiere wurde mittels Durchflusszytometrie nach Färbung von CD11b, CD45, CD11c, CD80, CD86, F4/80 und MHC-II untersucht. ZNS-ständige Mikroglia, in unserem Modell charakterisiert durch GFP-Positivität und die intermediäre Expression von CD45, zeigen in der Gruppe der stark erkrankten Tiere eine signifikante Erhö- hung ihrer Expression von CD11c-GFP, MHC-II und CD80. Dieses Muster der Oberflächenmarker zeigt die Fähigkeit zur Stimulation von T-Zellen. Verschie- dene Lymphknotenstationen wurden homogenisiert und mittels quantitativer PCR auf ihren Gehalt an transgener DNA hin untersucht. Hier konnten wir eine signifikante Zunahme dieser transgenen DNA in zervikalen und axillären Lymhpknoten stark erkrankter Tiere zeigen. Zusätzlich ließen sich in der Fluo- reszenzmikroskopie ramifizierte Zellen in diesen Lymphknoten finden, welche sowohl GFP als auch P2Y 12 -positiv waren. P2Y 12 ist ein rezent beschriebener Oberflächenmarker, der spezifisch für Mikroglia ist. Zusammenfassend lassen sich diese Ergebnisse dahingehend deuten, dass die CD11c-positive Population im ZNS im Rahmen eines neuroinflammatorischen Prozesses in ZNS-assoziierte Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen stimulieren kann. Bei an MS erkrank- ten Patienten könnten diese Lymphknoten ein lohnenswertes anatomisches Ziel darstellen, um zu versuchen mittels immunmodulierender oder -suppressiver Medikamente den neuroinflammatorischen Prozess zu lindern. Auf diese Wei- se ließe sich eventuell die Effektivität dieser Medikamente erhöhen und die systemische, unerwünschte, Wirkung reduzieren.

Myelin-assoziierte Epitope können Ziel destruktiver T-Zell Antworten während autoimmuner Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose oder der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis werden. Dagegen reagieren selbstspezifische T-Zellen nach axonaler Degeneration nicht mit destruktiver Autoimmunität, obwohl die entsprechenden Epitope durch Myelin-phagozytierende Mikroglia präsentiert werden. Im Modell der entorhinalen Kortexläsion von Ratte und Mause zeigten wir, daß Autoimmunität nach solchen Läsionen durch die Expression des Todesliganden CD95L (FasL, Apo1L) auf Astrozyten verhindert wird, da hochaktivierte T-Zellen durch CD95L apoptotisch eliminiert werden. Myelin-phagozytierende Mikroglia reguliert MHC-II und B7-2 hoch, nicht aber das kostimulatorische B7-1 Moleküle, das mit Autoimmunität im Gehirn assoziiert ist. In Zonen retrograder Degeneration, wo Axone am Sproutingprozess beteiligt sind, zeigen Mikrogliazellen bis mindestens 90 Tage nach Läsion einen MHC-II und B7-2 positiven Immunphänotyp. Trotz Anwesenheit von CD4/B7-2 positiven a/b T-Zellen, behält Mikroglia ihre ramifizierte, ruhende Morphologie. Im Gegensatz zu autoimmunen Erkrankungen im Gehirn, erfolgt die Antigenpräsentation nach axonaler Läsion durch Mikroglia also nicht über das B7-1 Molekül. Dies kann der Grund für das Ausbleiben destruktiver Autoimmunität nach axonaler Schädigung sein. / Myelin-associated epitopes are targets of destructive T cell responses during autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS) and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). On the other hand, autoimmune T cells do not respond in a destructive way to mechanically-induced axonal degeneration despite myelin phagocytosis and presentation by local microglia. Using entorhinal cortex lesion, a model of axonal degeneration and reactive sprouting, we showed that autoimmunity in the brain is prevented by the expression of the death Ligand CD95L expressed on astrocytes lading to apoptosis of highly activated T cells. Moreover, myelin phagocytosing microglia upregulate MHC-II and B7-2, but lack expression of B7-1, a costimulatory molecule related to destructive immunity. In zones of retrograde axonal degeneration, where axons undergo secondary damage and later contribute to the sprouting response, MHC-II/B7-2 positive microglia are still found at 90 days post lesion. These cells exhibit the ramified morphology of resting microglia in the presence of CD4/B7-2 positive a/b T cells. Thus, in contrast to autoimmune brain disease, axonal degeneration is lacking a signal to induce B7-1 on microglial cells and the recruited T cells do not induce microglial activation. Differences in B7-phenotype of local antigen-presenting cells might provide an explanation for the important finding that autoimmune T cells elicit protective rather than destructive effects following axonal degeneration in the CNS.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit T-Helferzellen und ihren Interaktionen mit Gewebszellen, wie sie im gesunden Organismus und in Autoimmunerkrankungen auftreten. Es werden Fragen der Toleranzinduktion durch orale Gabe von Antigenen, speziell der oralen Verabreichung von Collagen II bei Patienten mit rheumatoider Arthritis diskutiert. Eine Immundeviation als Mittel, inflammatorische Th1-Zellantworten in anti-inflammatorische Th2-Zellantworten zu verwandeln, kann durch Eingriffe in die T-Zell-Signaltransduktion erreicht werden. Es werden neue Ansätze zu Mechanismen diskutiert, die das Immunprivileg des Zentralnervensystems gewährleisten. Die hirnresidenten Immunzellen, zu denen Mikrogliazellen und Astrozyten zählen, besitzen Eigenschaften, die eine Entzündung unwahrscheinlich machen. Sie müssen aktiviert werden, um Antigene präsentieren zu können. In organtypischen entorhinal-hippocampalen Schnittkulturen konnte gezeigt werden, dass Mikrogliazellen durch Th1-Zellen aktiviert, von Th2-Zellen hingegen deaktiviert werden. Die Möglichkeit, dass die Costimulation über CD80 oder CD86 differentielle Effekte auf den Charakter der Immunantwort hat, wird diskutiert. Der Einfluß von pro-inflammatorischen Zytokinen auf Mikrogliaaktivierung und den Erhalt von Nervenfasern wurde ebenfalls in Hirnschnittkulturen untersucht. Astrozyten sind wesentlicher Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke. Diese kann jedoch von aktivierten T-Zellen überwunden werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Astrozyten über eine Expression von CD95L in aktivierten T-Zellen Apoptose induzieren können. Davon sind jedoch nicht alle T-Zellen betroffen. Andererseits wird eine T-Zellproliferation unterdrückt, indem T-Zellen unter Astrozyteneinfluß verstärkt CTLA-4 exprimieren, was einen Zellzyklusarrest zur Folge hat. Darüber hinaus ist eine verstärkte Produktion von Nervenwachstumfaktor (NGF; nerve growth factor) nach antigenspezifischer Interaktion von Astrozyten mit Th1- und Th2-Zellen als zusätzliches Mittel, eine Neuroinflammation einzudämmen, anzusehen. Die Arbeit stellt diese Ergebnisse in fünf Kapiteln dar, welche gleichzeitig eine Einführung in die als Anlagen enthaltenen zehn Publikationen geben. / This thesis deals with T helper cells and their interactions with tissue cells as they occur in the healthy organism and in autoimmune diseases. Questions of tolerance induction by oral application of antigens are discussed especially oral treatment with type II collagen in patients with rheumatoid arthritis. In order to transform inflammatory Th1 responses into anti-inflammatory Th2 responses, immune deviation can be reached by interference with T-cell signal transduction. New approaches towards the different ways that the immune privilege of the central nervous system is maintained are discussed. The resident immune cells, i.e. microglia and astrocytes possess properties that make inflammation unlikely. They have to be activated in order to present antigens. It has been shown in organotypic entorhinal-hippocampal slice cultures that Th1 cells activate whereas Th2 cells deactivate microglial cells. The possibility is discussed as to whether costimulation via CD80 or CD86 differentially influences the character of the immune response. The influence of pro-inflammatory cytokines on microglial activation and preservation of nerve fibers has also been studied in brain slice cultures. Astrocytes are an essential part of the blood-brain barrier, which can be crossed by activated T cells. The thesis shows that astrocytes can induce apoptosis in activated T cells via expression of CD95L. However, not all T cells are affected. T cell proliferation is suppressed by increased CTLA-4 expression in T cells under the influence of astrocytes, resulting in a cell cycle arrest. An additional mechanism of confining neuroinflammation is increased production of the nerve growth factor (NGF) following antigen-specific interaction of astrocytes and Th1 and Th2 cells, respectively. These results are presented in five chapters that also introduce the ten attached publications.