Die orale Aufnahme von Salmonellen stellt den natürlichen Infektionsweg für Mensch und Tier dar. Gelingt es den Salmonellen vom Darmlumen über das Darmepithel in den Organismus zu gelangen, können sie eine systemische Infektion hervorrufen (Septikämie, Typhus). Die Darmwand stellt die entscheidende Barriere dar, deren Abwehrfunktion bei Salmonelleninfektion im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden sollte. Die Peyerschen Platten (PP), die in die Darmwand eingelagert sind und an den Bereich der M-Zellen angrenzen, stellen Lymphfollikel dar. In dem Grenzbereich zwischen M-Zellen und PP befinden sich viele Makrophagen und Dendritische Zellen. Diese Zellen sind als „antigen-presenting cells“ (APCs) besonders gut in der Lage, transloziertes Antigen aufzunehmen, es zu prozessieren und in Verbindung mit MHC-Komplexen auf ihrer Oberfläche zu präsentieren, um Effektorzellen des Immunsystems zu aktivieren. Es wurden Nachweismethoden für Salmonellenantigen und Salmonellen etabliert. Mit Hilfe eines spezifischen Antiserums konnte Salmonellenantigen über immunhistochemische und durchflusszytometrische Methoden nachgewiesen werden. Lebende Salmonellen wurden über die Ausplattierung auf XLD-Agarplatten detektiert. Isolierte Einzelzellen aus den PP wurden über Dichtegradientenzentrifugation in die Fraktion der phagozytierenden Zellen und in die Fraktion der B- und T-Zellen separiert und analysiert. Nach In-vitro-Infektion isolierter Dendritischer Zellen konnten über elektronen-mikroskopische Analyse Salmonellen in den Dendritischen Zellen nachgewiesen werden. 12 Stunden nach oraler Infektion der BALB/c-WT-Mäuse wurden über Ausplattierung Salmonellen in der Fraktion der phagozytierenden Zellen sowie der B-und T-Zellen der PP nachgewiesen. Der Anteil der infizierten Zellen war jedoch sehr niedrig. 4 Stunden nach oraler Infektion der Mäuse war ein ebenso großer Anteil der Salmonellen in den PP intrazellulär wie extrazellulär vorhanden. Salmonellenantigentragende Zellen wurden mit Hilfe der Durchflusszytometrie erfasst. So zeigte sich, dass bereits vier Stunden nach oraler Infektion ca. 0,09 % bis zu 0,61 % der Zellen aus Milz und den PP mit Salmonellenantigen beladen waren. Dies ist ein äußerst niedriger Anteil von Zellen, doch dieser niedrige Prozentsatz der antigenpräsentierenden Zellen reicht aus, um eine effektive Immunantwort zu induzieren. Histologische Untersuchungen auf Entzündungsreaktionen ergaben vier Stunden p.i. keinen Hinweis auf eine Entzündung. Mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen konnten keine Salmonellen in den PP nachgewiesen werden. Der Vergleich der Organkeimlasten der PP der Mäuse mit und ohne Interleukin 12 (IL-12) zeigte signifikante Unterschiede. Während die Gesamtkeimzahl zweier PP in den Wildtypmäusen nur 7 Salmonellen betrug, konnten in den IL-12-defizienten Mäusen 28 bzw. 34 Salmonellen nachgewiesen werden. Das IL-12 wird als Reaktion auf einen entzündlichen Reiz gebildet, liegt aber auch in membrangebundener Form konstitutiv auf Makrophagen und Dendritischen Zellen vor. IL-12 spielt eine wichtige Rolle in der Aktivierung von Bakterizidiemechanismen. Deshalb ist es möglich, dass das IL-12 in den Wildtypmäusen zu einer verbesserten Abtötung der Bakterien führte. In den IL-12-defizienten Mäusen trug die Abwesenheit von IL-12 dazu bei, dass ein höherer Anteil der eingedrungenen Bakterien am Leben blieb. / The oral-faecal route is the general way for Salmonella to infect humans and animals. If Salmonella is able to reach the distal ileum and caecum, it can invade the mucosa and cause systemic diseases (septikemia, thyphoid fever). The gut mucosa is the most important barrier, which defense function will be characterised in this work. The PeyerŽs patches are lymphoid tissues and are located in the gut mucosa. They are colocalized with the M-cells in the gut epithelium. In this border region between epithelium and PeyerŽs patches reside a lot of macrophages and dendritic cells. These are antigen presenting cells and they can phagocytize antigen (bacteria), process antigen and present antigen in the lymphoid tissue to naive T-cells to activate them for a specific immune response. We established methods to detect Salmonella antigen and live Salmonellae. With a Salmonella-specific antiserum we could find Salmonella antigen by immunhistological and flow cytometric methods. Live Salmonellae were detected by plating on selective agar plates. Single cells were isolated from PeyerŽs patches and separated in phagocytic cells and B and T cells and analysed by several methods. After in vitro infection of isolated dendritic cells we detected Salmonellae in dendritic cells by electron microscopy. Therefore, Salmonellae are able to infect dendritic cells. 12 hours after oral infection Salmonellae could be detected in phagocytic cells and B and T cells isolated from PeyerŽs patches. The number of infected cells was very low in all cases. Four hours post infection there was about the same frequency of extracellular and intracellular Salmonellae. Salmonella antigen bearing cells were detected by single cell analysis four hours post infection. The analysis showed 0,09 % to 0,61 % cells of PeyerŽs patches or spleen positive for Salmonella antigen. This is only a low number of antigen-presenting cells, but it seems to be enough to induce an effective immune response. The bacterial burden in the PeyerŽs patches was different between mice with and without IL 12. While the bacterial burden of two PeyerŽs patches out of wild-type mice was only seven Salmonellae, two PeyerŽs patches of IL-12 knock out mice carried 28 to 34 Salmonellae. The number of infected cells was the same in wild-type and IL-12 knockout mice. IL-12 is produced during inflammatory responses to pathogens, but it is also available as a membrane-bound pool on macrophages and dendritic cells. It does not influence the phagocytic mechanisms, but has a very important role in inducing bactericidal activity. Therefore, it is possible that IL-12 in wild-type mice allows for a better killing of Salmonellae, while the lack of IL-12 in knockout mice leads to a reduced killing of Salmonellae.

Objective: This pilot study explores the influence of acute alcohol exposure on cell mechanical properties of steady-state and activated leukocytes conducted with real-time deformability cytometry. Methods: Nineteen healthy male volunteers were enrolled to investigate the effect of binge drinking on biophysical properties and cell counts of peripheral blood leukocytes. Each participant consumed an individualized amount of alcohol to achieve a blood alcohol concentration of 1.2 ‰ as a mean peak. In addition, we also incubated whole blood samples from healthy donors with various ethanol concentrations and performed stimulation experiments using lipopolysaccharide and CytoStim™ in the presence of ethanol. Results: Our findings indicate that the biophysical properties of steady-state leukocytes are not significantly affected by a single episode of binge drinking within the first two hours. However, we observed significant alterations in relative cell counts and a shift toward a memory T cell phenotype. Moreover, exposure to ethanol during stimulation appears to inhibit the cytoskeleton reorganization of monocytes, as evidenced by a hindered increase in cell deformability. Conclusion: Our observations indicate the promising potential of cell mechanical analysis in understanding the influence of ethanol on immune cell functions. Nevertheless, additional investigations in this field are warranted to validate biophysical properties as biomarkers or prognostic indicators for alcohol-related changes in the immune system.

In einer prospektiven, randomisierten, doppelblinden, Placebo-kontrollierten Cross-over-Studie wurden hämodynamische und immunologische Effekte einer dreitägigen adjunktiven Therapie mit niedrig dosiertem Hydrocortison (HC) (100 mg Bolus + 10 mg/Stunde) bei 40 Patienten im septischen Schock untersucht. Die Therapie mit HC führte zum Anstieg des mittleren arteriellen Drucks und des systemischen Gefäßwiderstands sowie zur Reduktion des Herzzeitvolumens und der Herzfrequenz, die pulmonalvaskulären Widerstände blieben unverändert. Die Nitrit/Nitrat-Plasmaspiegel (Stickstoffmonoxid-Synthese) und der Katecholaminverbrauch nahmen ab. Die Immunreaktionen waren komplex: Abnahme proinflammatorischer (Interleukin-(IL)-6, 8) und antiinflammatorischer (IL-10, lösliche Tumor-Nekrosefaktor-Rezeptoren) Mediatoren, Anstieg proinflammatorischer Zytokine (IL-12 und Interferon-?), Reduktion der Endothel- (E-Selektin) und Granulozytenaktivierung (CD11b, CD64), Reduktion der T-Helfer- und Suppressorzellzahl und der eosinophilen und basophilen Granulozyen, die Monozytenzahl stieg an und die neutrophilen Granulozyten sowie die Gesamtleukozytenzahl blieben unverändert. Parameter der unspezifischen (Respiratory Burst, Phagozytose) und der spezifischen Immunreaktion (HLA-DR auf Monozyten, Antigenpräsentation) wurden nicht oder nicht wesentlich supprimiert, die Phagozytosefähigkeit von Monozyten nahm zu. Eine Beendigung der HC-Therapie führte zu ausgeprägten hämodynamischen und immunologischen Rebound-Phänomenen. Die Wirkung von niedrig dosiertem HC im septischen Schock kann daher als kreislaufstabilisierend und immunmodulatorisch charakterisiert werden, Zeichen einer ausgeprägten Immunsuppression fanden sich nicht. / In a prospective, double-blind, randomised, placebo-controlled cross-over study, hemodynamic and immune effects of a three-day adjunctive treatment with low doses of hydrocortisone (HC) (100 mg bolus followed by 10 mg per hour) were investigated in forty patients with septic shock. HC-therapy induced a rise of mean arterial pressure and systemic vascular resistance and a decline of cardiac index and heart rate without altering pulmonary vascular resistance. Both, nitrite/nitrate levels (nitric oxide formation) and cathecholamine requirement were reduced. Immune responses were complex and included: reduction of proinflammatory (interleukin-(IL)-6, 8) and antiinflammatory (IL-10, soluble tumor necrosis factor receptors) mediators, an increase of proinflammatory cytokines (IL-12 and interferon-?), a reduction of endothelial (E-selectin) and granulocyte activation (CD11b, CD64), and a decrease of T-helper and suppressor cells as well as eosinophil and basophil granulocytes; monocytes increased and total granulocyte and leukocyte counts remained unaltered. Parameters of innate (respiratory burst, phagocytosis) and adaptive immune responses (HLA-DR-expression on monocytes, antigen presentation) were not essentially affected, monocyte phagocytosis rather increased. HC-withdrawal induced marked hemodynamic and immunologic rebound effects. In conclusion, effects of low dose HC-therapy in septic shock is characterised by hemodynamic stabilisation and immunomodulation, without inducing severe immunosuppression.

Bisher gibt es keine effektive Impfung gegen Malaria und der beste immunologische Schutz wird durch wiederholte intravenöse Injektion von nicht-vermehrungsfähigen Sporozoiten erreicht. Im Gegensatz dazu bietet die Infektion im Blutstadium nur eine Teilimmunität gegen schwere Verläufe der Krankheit. Um beide Prozesse besser zu verstehen, ist eine tiefgehende Untersuchung der Reaktion des angeborenen Immunsystems auf Sporozoiten, sowie Parasiten im Blutstadium erforderlich. Erkenntnisse hieraus können dabei helfen, die Überlegenheit des Sporozoiten-Impfstoffs zu verstehen und, letztendlich, seine Wirksamkeit in einem sichereren, kostengünstigeren und skalierbaren Impfstoff zu rekapitulieren. Um sterile Sporozoiten aus Mückenprärationen für in-vitro experimente zu gewinnen, wurden die Parasiten FACS sortiert und anschließend mit Makrophagen co-kultivert. RNA Sequenzierung der Makrophagen, zeigte ein von Sporozoiten induziertes Expressionsprofil, das durch die Expression von inflammatorischen Genen gekennzeichnet ist. Insbesondere CD201 wurde auf Makrophagen stark hochreguliert und könnte eine Rolle bei der gamma-delta T-Zell-Aktivierung spielen. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Aktivierung von Makrophagen durch Sporozoiten teilweise von TLR2 und MyD88 abhängig ist. Interessanterweise waren die genetischen Signaturen „Reaktion auf Verwundung" und „Makroautophagie" in Makrophagen überrepräsentiert die mit Sporozoiten co-kultiviert wurden und sind wahrscheinlich Folgen von aktiver Sporozoiten-Traversierung durch Makrophagen. In der Tat zeigten Mäuse, die mit Traversierungs-defizienten Sporozoiten geimpft wurden stark reduzierte CD8 T-Zell Antworten. Dies deutet auf eine mögliche Rolle der Zelltraversion bei der Induktion effektiver adaptiver Immunantworten hin. Insgesamt tragen diese Ergebnisse zu dem Verständnis der angeborenen Immunantwort auf Plasmodium-Parasiten bei und bieten weitere Möglichkeiten zur zukünftigen Forschung. / Effective vaccination against malaria remains a critical element in the effort to eradicate the disease. So far, best protection is induced by repeated intravenous injection of irradiated, non-replicating sporozoites. In contrast, blood stage infection only affords semi-immunity after several disease episodes are endured. Therefore, in-depth analyses of innate immune responses to sporozoite and blood stage parasites are needed to understand the superiority of the attenuated sporozoite vaccine and ultimately, to recapitulate its efficacy in a safer, cheaper and more practical vaccine. To probe sporozoite-induced innate cell activation, parasites were flow sorted from salivary gland extracts. In a reductionist system, sorted P. berghei sporozoites were co-cultured with primary mouse macrophages. Transcriptomic analysis of sporozoite-experienced macrophages revealed a distinct expression profile characterized by NF-κB driven expression of inflammatory mediators. In particular, CD201, a CD1d-like transmembrane receptor with lipid presentation capabilities, was strongly upregulated on macrophages and might play a role in gamma-delta T-cell activation. In addition, first evidence is provided that macrophage activation by sporozoites is partly dependent on TLR2 and MyD88. Intriguingly, ‘response to wounding’ and ‘macroautophagy’ signatures were enriched in sporozoite-stimulated macrophages and are likely consequences of active sporozoite traversal through innate cells. Indeed, in vivo vaccination with spect1 knockout sporozoites, which are deficient in cell traversal, induced a defective CD8 T-cell response, showcasing a potential role for cell traversal in the induction of effective adaptive responses. Taken together, these findings open up several interesting avenues for future research which will paint a clearer picture of innate immune responses to Plasmodium parasites.

Neutrophile Granulozyten produzieren „Neutrophil Extracellular Traps“ (NETs), ein mit antimikrobiellen Molekülen bestücktes Netzwerk aus Chromatinfasern, das während eines Zelltodprogramms namens „NETosis“ von den sterbenden Neutrophilen ausgestoßen wird. Ihre netzartige Struktur erlaubt es ihnen, eine weitere Verbreitung des Infektionserregers zu verhindern; zudem erzeugen sie eine hohe lokale Konzentration an toxischen Molekülen, die Mikroorganismen töten können. Unter normalen Bedingungen werden NETs von Nukleasen zerkleinert und anschließend von Makrophagen entfernt. Wenn dieser Aufräummechanismus gestört ist, aktivieren NETs das Immunsystem und führen zur Produktion von Autoantikörpern oder entzündungsfördernden Zytokinen. NETs werden mit einer wachsenden Liste von inflammatorischen und Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht. Wie genau dabei NETs durch das Immunsystem erkannt werden, ist noch nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass NETs durch den zytosolischen DNA Sensor „cyclic GMP-AMP synthase“ (cGAS) detektiert werden können und dass dadurch die Expression von Typ I Interferonen (TIIFN) induziert wird. Zu Beginn demonstriere ich, dass NETs durch rekombinantes cGAS erkannt werden und dass mit isolierten NETs stimulierte Immunzellen cGAS-abhängig TIIFN produzieren. Des Weiteren zeige ich, dass Neutrophile, die NETosis begehen, in Nachbarzellen ebenfalls cGAS-anhängig TIIFN induzieren können. Abschließend konnte ich diese Ergebnisse in einem in vivo Mausmodel für systemische NET-Produktion bestätigen. Die vorliegende Arbeit zeigt einen Mechanismus, wie NETs durch das Immunsystem erkannt werden und dadurch sowohl zur Entstehung als auch zur Progression von Krankheiten beitragen kann. Sie ermöglicht dementsprechend die Entwicklung neuer Interventionsstrategien, welche zur Heilung oder Linderung einer Vielzahl von Erkrankungen beitragen können. / The first line of cellular defense of the immune system are neutrophils. They are the most abundant white blood cell, which exert an array of antimicrobial effector functions. Neutrophils release neutrophil extracellular traps (NETs), a composite of chromatin and antimicrobial molecules, into the extracellular space during a form of regulated cell death called NETosis. Their net-like structure prevent further dissemination of the invader and establishes a high local concentration of toxic molecules that mediate pathogen killing. NETs provide a platform for undesired immune activation and contribute to the production of autoantibodies and pro-inflammatory cytokines. NETs are implicated in a growing list of inflammatory and autoimmune diseases, but the exact mechanism how NETs are recognized by the immune system is not fully understood. In this study, I demonstrate that the cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) senses NETs and induces the production of type I interferons (TIIFN). I first showed that NETs are recognized by recombinant cGAS and that cells treated with isolated NETs produce TIIFN in a cGAS dependent mechanism. Secondly, I demonstrate that neutrophils undergoing NETosis are taken up by neighboring immune cells and induce cGAS-dependent TIIFN expression. Lastly, I confirmed our in vitro results in a mouse model of systemic NET induction. Wildtype mice injected with Concanavalin A significantly upregulate the expression of interferon stimulated genes, while cGAS-/- mice and Cybb-/- mice, which are incapable of producing NETs, fail to induce this response.

Knochengewebe besitzt die einzigartige Fähigkeit sich nach einem Bruch komplett zu regenerieren. Dennoch zeigen 10-15% der Patienten einen gestörten Heilungsverlauf. Das Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle in der Frakturheilung. Im Rahmen der hier präsentierten Doktorarbeit wurde der Einfluss der CD4+ regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Knochenheilung untersucht. In einem Maus-Osteotomie-Modell wurde die zeitliche und räumliche Verteilung ausgewählter Immun- und Knochenzellen im osteotomierten Knochen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Immunzellen im gesamten Heilungsverlauf in der Frakturzone zu finden waren und oft eine direkte Kolokalisation mit den Knochenzellen aufwiesen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die starke Interaktion beider Systeme. Ein adaptiver Transfer muriner Treg vor Setzen der Osteotomie diente als immunmodulatorischer Ansatz zur Verbesserung des Frakturheilungsprozesses. Tiere mit einem unerfahrenen Immunsystem (SPF-Haltung) zeigten eine verbesserte Heilung nach Treg-Transfer. Mäuse mit einem erfahrenen Immunsystem (semi-sterile Haltung) zeigten einen kontroversen Heilungserfolg: eine Hälfte der Mäuse heilte signifikant besser und die andere Hälfte signifikant schlechter. Die Schlechtheiler zeigten eine höhere Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg im Vergleich zu den Gutheilern. In einer darauffolgenden Proof-of-concept-Studie konnte gezeigt werden, dass eine prä-OP definierte Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg mit dem Heilungserfolg nach Osteotomie korrelierte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte ein potentiell positiver Einfluss von CD4+ Treg auf den Frakturheilungsprozess bestätigt werden. Dennoch wurde auch der enorme Einfluss des prä-OP Immunstatus auf den Heilungserfolg deutlich. Für die Klinik ist es also im Rahmen einer Immuntherapie umso wichtiger Patienten-basierte Therapieformen zu entwickeln, bei denen der individuelle Immunstatus eines jeden Patienten vor Anwendung der Therapie berücksichtigt wird. / Bone tissue possesses the remarkable capacity to fully regenerate after injury. However, in 10-15% of patients, unsuccessful bone repair is still a present problem. Components of the adaptive immune system play an indispensable role in bone regeneration. The here presented PhD thesis focused on the interaction of CD4+ regulatory T cells (Treg) during fracture healing. In a murine osteotomy model, the spatiotemporal distribution of immune and bone cells was analyzed within the healing bone. Cells of the immune system were detectable throughout the whole healing cascade in the injured area und showed often a direct co-localization with bone cells. These results highlight the interconnectivity of immune and bone cells during regeneration. By adoptive transfer of murine CD4+ Treg prior to osteotomy, an immunomodulatory approach to improve bone healing was conducted. Mice possessing an unexperienced immune system (SPF housing) showed a consistent improved healing outcome after adoptive Treg transfer. However, mice with a more experienced immune system (semi-sterile housing) receiving an adoptive Treg transfer demonstrated a controversial healing outcome: half of the mice showed a significantly improved and the other half a significantly poorer healing outcome. In the mice with a poorer healing outcome, a higher ratio of CD8+ effector T cells and Treg was observed. In a following proof of concept study, a pre-osteotomy defined ratio of CD8+ effector T cells and Treg could predict the healing outcome after adoptive Treg transfer and osteotomy. A potential positive impact of Treg in bone repair was confirmed in this study. However, the tremendous impact of the environment and thereby of the immune status prior to immunomo-dulation was also clearly demonstrated. Hence, for the clinic, it is even more important to develop and to apply patient based immunomodulatory treatment approaches considering the individual immune status of each patient prior to treatment.

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In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.

In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.

Einleitung: Ischämische Schlaganfälle ziehen ausgeprägte Entzündungsprozesse im Gehirn sowie Immunreaktionen in der Körperperipherie nach sich, welche den Erkrankungsverlauf und die Regeneration maßgeblich beeinflussen. Die Modulation dieser Immunantwort stellt folglich einen vielversprechenden experimentellen Ansatz in der Schlaganfalltherapie dar. Der ischämische Schlaganfall ist außerdem mit verschiedenen Komorbiditäten und Risikofaktoren assoziiert, deren Auswirkungen auf die komplexen postischämischen pathophysiologischen Prozesse nur in Teilen aufgeklärt sind. So hat eine arterielle Hypertonie (Bluthochdruck) als wichtigster modifizierbarer Risikofaktor durch die Induktion von Gefäßschäden eine zentrale Bedeutung für die Pathogenese von ischämischen Schlaganfällen und geht außerdem mit einer Aktivierung des Immunsystems einher. Der konkrete Einfluss der Hypertonie auf die postischämische Entzündungsreaktion wurde bislang nicht hinreichend untersucht. Die Einbeziehung wichtiger Begleiterkrankungen, wie Bluthochdruck, in die präklinische Schlaganfallforschung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da ein erweitertes Verständnis der pathophysiologischen Zusammenhänge auch eine bessere Übertragbarkeit neuer immunmodulatorischer Therapiekonzepte auf den Menschen in Aussicht stellt. Zielstellung: Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung pathofunktioneller Zusammenhänge zwischen der Immunantwort nach Schlaganfall und manifestem Bluthochdruck. Dafür wurde die zentrale und periphere Entzündungsreaktion nach experimentellem Schlaganfall in einem prämorbiden hypertensiven Tiermodell (spontan-hypertensive Ratte, SHR) im Vergleich mit normotensiven Tieren mithilfe von vorwiegend durchflusszytometrischen, histologischen und molekularbiologischen Methoden analysiert. Daneben sollte das verwendete hypertensive Tiermodell für die Untersuchung immunologischer Aspekte der translationalen Schlaganfallforschung evaluiert werden. Tiere, Material und Methoden: Für alle Tierversuche und Organentnahmen wurden ausschließlich männliche Ratten der Stämme Wistar-Kyoto und SHR im Alter von 12 bis 14 Wochen verwendet. Die Induktion des ischämischen Infarkts erfolgte mithilfe eines permanenten, transkraniellen Schlaganfallmodells oder mittels photochemischer Thrombose. In Abhängigkeit von der Untersuchungsgruppe wurden die Tiere 1 oder 4 Tage nach Infarktinduktion bzw. Sham-Operation schmerzfrei getötet. Neben wenigen neuroanatomischen und neurofunktionellen Ausleseparametern wurde als Hauptzielgröße die Immunzellverteilung im Gehirn und im Blut erfasst. Dafür wurden Hirnzellisolate und Vollblutproben mit maximal 8 fluoreszenzgekoppelten Antikörpern in verschiedenen Kombinationen markiert und in einem 3-Laser-Durchflusszytometer (FACSCanto II) gemessen und ausgewertet. Zudem wurden in kryokonservierten Hirnschnitten relevante Immunzellpopulationen und Adhäsionsmoleküle mittels Immunfluorezenztechniken markiert und für die Darstellung der räumlichen Verteilung mit einem Konfokal-Mikroskop (LSM710, Zeiss) analysiert. Zusätzlich wurde die Gen-und Proteinexpression selektiver Zytokine und Adhäsionsmoleküle in dissoziiertem Hirngewebe ermittelt. Die statistische Auswertung wurde je nach erfasster Zielgröße mittels zweiseitigem t-Test, Wilcoxon Rangsummentest, Pearson-Korrelation oder Varianzanalyse-Verfahren durchgeführt. Ein Signifikanzniveau von p<0,05 wurde für alle statistischen Verfahren festgelegt. Ergebnisse: Neben einer vergrößerten Läsion konnte in hypertensiven Tieren insbesondere eine gesteigerte Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das ischämische Hirn gezeigt werden. Eine Verschiebung des Makrophagen-Granulozyten-Verhältnisses wies darüber hinaus auf eine veränderte Entzündungskinetik bei Vorliegen von Bluthochdruck hin. Weiterhin wurde in Tieren mit arterieller Hypertonie eine erhöhte Zahl von zirkulierenden Monozyten und Granulozyten beobachtet. Im Hirngewebe von spontan-hypertensiven Ratten nach Schlaganfall wurden außerdem eine verminderte Expression des antiinflammatorisch wirksamen Zytokins Interleukin 10, erhöhte Expressionsraten selektiver Leukozyten-rekrutierender Chemokine sowie eine vermehrte Expression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1 auf infiltrierenden Leukozyten erfasst. Daneben konnten modellabhängige Einflüsse der verschiedenen Induktionsmethoden auf die Immunreaktion identifiziert werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse weisen deutlich auf einen Zusammenhang zwischen einem bestehenden arteriellen Hypertonus und einer gesteigerten entzündlichen Reaktion im Gehirn nach experimentellem Schlaganfall hin und zeigen mögliche zugrundeliegende Mechanismen auf. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit durch eine differenzierte Analyse methodischer und modellabhängiger Einflüsse die Unerlässlichkeit, präklinische Ergebnisse kritisch zu hinterfragen und in unterschiedlichen Modellen zu überprüfen. Auf Grundlage der Untersuchungen kann die spontan-hypertensive Ratte zudem als ein für die translationale Schlaganfallforschung geeignetes prämorbides Tiermodell beurteilt werden, in welchem sich der Einfluss des Risikofaktors Bluthochdruck auf die Entwicklung und den Verlauf der postischämischen Entzündung gut abbilden lässt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung / Introduction: Ischemic strokes lead to a sequence of immune responses, including pronounced tissue inflammation in the brain as well as distinct reactions of the peripheral immune system that consistently influence disease process and outcome. The modulation of these immune responses therefore represents a promising experimental approach in stroke therapy. Ischemic stroke is also associated with various comorbidities and risk factors whose effects on the complex postischemic pathology have only been partially elucidated. Being the most important modifiable risk factor this especially applies to arterial hypertension that has a central role in the pathogenesis of ischemic stroke by inducing vascular damage but is also associated with a strong activation of the immune system. However, the specific influence of hypertension on postischemic inflammation has not been sufficiently investigated. Besides, the integration of hypertension and other important concomitant diseases is becoming a more regular tool in preclinical stroke modelling in order to expand the understanding of pathophysiological interactions and overcome the translational gap of new immunomodulatory therapies. Aim: The main objective of this work is the identification of pathofunctional interations between the immune response after stroke and preexisting arterial hypertension. For this purpose, the central and peripheral inflammatory response after experimental stroke was investigated in a premorbid hypertensive animal model (spontaneously hypertensive rat, SHR) in comparison with normotensive animals by means of flow cytometric, histological and molecular biological methods. In addition, the hypertensive animal model was supposed to be assessed regarding its suitability for the investigation of immunological aspects in translational stroke research. Material and Methods: For all animal experiments and organ removal, only male rats of the Wistar Kyoto and SHR strains aged 12 to 14 weeks were used. Induction of experimental stroke was performed using either a permanent transcranial stroke model or photochemical thrombosis model. Depending on the study group, animals were killed painlessly 1 or 4 days after infarct induction or sham surgery respectively. In addition to few neuroanatomic and neurofunctional readout parameters, immune cell distribution in the brain and blood was captured as primary variable. Therefore, brain cell isolates and whole blood samples labeled with a maximum of 8 fluorescence-coupled antibodies in different combinations were measured and analyzed in a 3-laser flow cytometer (FACSCanto II). Furthermore, immunofluorescence techniques were applied on cryopreserved brain sections in order to image spatial distribution of relevant immune cell populations and adhesion molecules by means of confocal microscopy (LSM710, Zeiss). In addition, the mRNA and protein expression of selective cytokines and adhesion molecules was determined in dissociated brain tissue. Depending on the targeted parameter statistical analyses were performed by using two-sample t-test, Wilcoxon rank-sum test, Pearson correlation coefficient or analysis of variance. A significance level of p<0.05 was set for all statistical methods. Results: In addition to an enlarged lesion, in hypertensive animals an increased infiltration of cells of the innate immune system to the ischemic brain area was detected. A shift of the macrophage-granulocyte-ratio further indicated an altered inflammatory profile in hypertensive rats. Furthermore, an increased number of circulating monocytes and granulocytes were observed in animals with hypertension. In brain tissue of SHR after stroke, a decreased expression of the anti-inflammatory cytokine interleukin 10 were recorded along with increased expression levels of selective leukocyte-recruiting chemokines and an increased expression of the adhesion molecule ICAM-1 on infiltrating leukocytes. In addition, caused by different induction methods, model-dependent impact on the immune reaction could be identified. Conclusion: The results clearly indicate a relationship between existing arterial hypertension and an increased inflammatory response in the brain after experimental stroke and point out potential underlying mechanisms. At the same time, by adopting a differentiated view of methodological and model-dependent influences, the work underscores the need for critical reflection and constant verification of preclinical results in different models. Finally the work validates the SHR strain as a suitable premorbid preclinical system for further translational research since it well models the influence of hypertension on the development and course of postischemic inflammation.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung