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Die Interaktion zwischen Tumorzellen und Stromazellen spielt eine wichtige Rolle für die lokale Tumorprogression, die Invasivität und Metastasierung von soliden Tumoren wie dem Mammakarzinom. Es ist bekannt, dass die Kokultivierung von MCF-7 Mammakarzinomzellen mit humanen Makrophagen zu einer Wnt5a abhängigen Invasivitätssteigerung der Mammkarzinomzellen führt, welche durch den Wnt-Antagonisten Dkk-1 verhindert werden kann. Unbekannt war, ob sich primär hoch invasive Mammakarzinomzellen wie etwa die tripe-negative (TN) Mammakarzinomzelllinie MDA-MB-231 und die schwach invasive Zelllinie MCF-7 hinsichtlich ihrer Expression von Wnt- und Wnt-abhängigen Genen unterscheiden. So zeigten sich sowohl die nicht-kanonischen Wnt-Liganden Wnt5a und Wnt5b als auch die Wnt-assoziierten Gene VEGF-A und PLAU-R in der MDA-MB-231 Zelllinie als deutlich höher exprimiert im Vergleich zu MCF-7. Insbesondere die Expressionsunterschiede von Wnt5a und Wnt5b waren zuvor unbekannt und erweitern die molekulare Charakteristik dieser Zelllinien. In Kokulturexperimten von MCF-7 Mammakarzinomzellen und humanen Makrophagen zeigte sich in dieser Arbeit eine signifkant höhere Expression von Wnt5a, VEGF-A und TNF-α in MCF-7 nach 24h. Dies ist ein weiterer Aspekt für die molekularen Mechanismen, welche zu einer Invasivitätssteigerung solider Tumore durch Tumor-assoziierte Makrophagen (TAM) führen können. Interessanterweise blieb diese Regulation unter Zugabe von rh Dkk-1 aus, was eine wichtige Rolle von Dkk-1 möglicherweise auch aus therapeutischer Sicht nahelegt.

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Background: Tumor-associated macrophages (TAMs) promote tumor progression and have an effect on survival in human cancer. However, little is known regarding their influence on tumor progression and prognosis in human hilar cholangiocarcinoma. Methods: We analyzed surgically resected tumor specimens of hilar cholangiocarcinoma (n = 47) for distribution and localization of TAMs, as defined by expression of CD68. Abundance of TAMs was correlated with clinicopathologic characteristics, tumor recurrence and patients’ survival. Statistical analysis was performed using SPSS software. Results: Patients with high density of TAMs in tumor invasive front (TIF) showed significantly higher local and overall tumor recurrence (both ρ < 0.05). Furthermore, high density of TAMs was associated with decreased overall (one-year 83.6 % vs. 75.1 %; three-year 61.3 % vs. 42.4 %; both ρ < 0.05) and recurrence-free survival (one-year 93.9 % vs. 57.4 %; three-year 59.8 % vs. 26.2 %; both ρ < 0.05). TAMs in TIF and tumor recurrence, were confirmed as the only independent prognostic variables in the multivariate survival analysis (all ρ < 0.05). Conclusions: Overall survival and recurrence free survival of patients with hilar cholangiocarcinoma significantly improved in patients with low levels of TAMs in the area of TIF, when compared to those with a high density of TAMs. These observations suggest their utilization as valuable prognostic markers in routine histopathologic evaluation, and might indicate future therapeutic approaches by targeting TAMs.

AIMS: Macrophages (MPs) and vascular smooth muscle cells (VSMCs) closely interact within the growing atherosclerotic plaque. An in vitro co-culture model was established to study how MPs modulate VSMC behaviour. METHODS AND RESULTS: MPs were exposed to fluorescence-labelled-acetylated LDL (FL-acLDL) prior to co-culture with VSMCs. Fluorescence microscopy visualized first transport of FL-acLDL within 6 h after co-culture implementation. When MPs had been fed with FL-acLDL in complex with fluorescence-labelled cholesterol (FL-Chol), these complexes were also transferred during co-culture and resulted in cholesterol positive lipid droplet formation in VSMCs. When infected with a virus coding for a fusion protein of Rab5a and fluorescent protein reporter (FP) to mark early endosomes, no co-localization between Rab5a-FP and the transported FL-acLDL within VSMCs was detected implying a mechanism independent of phagocytosis. Next, expression of lysosome-associated membrane glycoprotein 1 (LAMP1)-FP, marking all lysosomes in VSMCs, revealed that the FL-acLDL was located in non-acidic lysosomes. MPs infected with virus encoding for LAMP1-FP prior to co-culture demonstrated that intact fluorescence-marked lysosomes were transported into the VSMC, instead. Xenogenic cell composition (rat VSMC, human MP) and subsequent quantitative RT-PCR with rat-specific primers rendered induction of genes typical for MPs and down-regulation of the cholesterol sensitive HMG-CoA reductase. CONCLUSION: Our results demonstrate that acLDL/cholesterol-loaded lysosomes are transported from MPs into VSMCs in vitro. Lysosomal transfer results in a phenotypic alteration of the VSMC towards a foam cell-like cell. This way VSMCs may lose their plaque stabilizing properties and rather contribute to plaque destabilization and rupture.

EINLEITUNG Das maligne Melanom stellt aufgrund seiner frühen Metastasierung und der Resistenz gegenüber den bisher bekannten Therapieansätzen eine der aggressivsten Tumorentitäten dar. Allerdings handelt es sich beim Melanom um einen antigenen und immunogenen Tumor. Dies schürt die Hoffnung, dass durch das bessere Verständnis der Mechanismen, die der Metastasierung, aber auch der Dysregulation des Immunsystems zugrunde liegen, Rückschlüsse auf neue Therapieansätze, beispielsweise unter Einbeziehung der Immunabwehr, gezogen werden können. Darüber hinaus würde die Entwicklung von Radiotracern, die eine frühzeitige Diagnose und möglicherweise auch die Auswahl von Patienten für eine personalisierte Tumortherapie ermöglichen, die Heilungschancen des malignen Melanoms wesentlich verbessern. Das Eph-Ephrin-System wiederum stellt ein vielfältiges Zellkommunikations-System dar, das sowohl in lebenswichtige als auch in pathologische Prozesse involviert ist. Beispielsweise nehmen Eph-Rezeptoren und Ephrine Einfluss auf die gerichtete Bewegung von neuronalen, endothelialen und inflammatorischen Zellen. Zudem beeinflussen sie die Bewegung von Tumorzellen und tragen so zur Tumorprogression bei. Ausgehend von diesem Hintergrund wurde die Hypothese formuliert, dass die Eph-Ephrin-vermittelte Interaktion von Melanomzellen und Tumor-assoziierten inflammatorischen Zellen die Progression und Metastasierung des malignen Melanoms beeinflusst. Im Speziellen sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit geprüft werden, ob die Rezeptor-Tyrosinkinase EphB4 im Zusammenspiel mit seinem Liganden EphrinB2 die Progression und Metastasierung des malignen Melanoms fördert. Darüber hinaus sollte getestet werden, ob der Rezeptor EphB6, der ebenfalls zur Bindung von EphrinB2 fähig ist, aber über eine mutierte und damit funktionsunfähige Kinasedomäne verfügt, eine regulative Rolle übernimmt und antitumorigen wirkt. Aufbauend auf den Erkenntnissen zur Bedeutung von EphB4, EphB6 und EphrinB2 beim malignen Melanom sollten zudem verschiedene Ansätze zur Bildgebung der oben genannten Eph-Rezeptoren und Ephrine mittels PET etabliert und geprüft werden. ERGEBNISSE UND DISKUSSION Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig gezeigt, dass die Membranproteine EphB4, EphB6 und EphrinB2 bei den ausgewählten humanen Melanomzellen und den inflammatorischen Zellen exprimiert werden und somit potentielle Interaktionsmöglichkeiten dieser Zellen darstellen. Infolge der Kokultur mit HL-60(M)-Zellen, die als Modell für Tumor-assoziierte Makrophagen dienten, kam es zu einer verminderten Adhäsion und/oder Migration der Melanomzellen sowie im Falle der A375- und A2058-Melanomzellen zu einer verstärkten Sekretion des proinflammatorischen Zytokins IL-6. Aufgrund der breiten Wirkung von IL-6 ergeben sich daraus vielfältige Einflussmöglichkeiten auf das Tumormikromilieu. Diese wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit jedoch nicht näher charakterisiert, da erste Ergebnisse eine Beteiligung des Eph-Ephrin-Systems ausschlossen. Während die Überexpression von EphB6 keinen Einfluss auf die Metastasierungs-relevanten Eigenschaften der A375-Melanomzellen hatte, führte die erhöhte Proteinbiosynthese von EphB4 zu einer verminderten Migration der Zellen im intakten Zellverband. Des Weiteren bewirkte EphB4 eine verstärkte Adhäsion der A375-Zellen an das Extrazellularmatrix-Protein Fibronektin, wodurch die Migration dieser Melanomzellen, im Sinne einer Metastasierung, zusätzlich beeinträchtigt wird. Die erhöhte mRNA-Expression des Liganden EphrinB2 in den A375-Melanomzellen führte zu einer verminderten chemotaktischen Migration der Zellen. Um den Einfluss von EphB4 auf die Tumorprogression und Tumorangiogenese beim malignen Melanom in vivo untersuchen zu können, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein murines Xenograft-Modell mit subkutanen A375 pIRES- bzw. A375 EphB4-Tumoren etabliert. Die Auswertung der Tumorvolumina sowie der [18F]FDG-, [18F]FMISO- und Hoechst 33342-Anreicherung in den Tumoren ergab, dass die erhöhte EphB4-Proteinbiosynthese zu tendenziell kleineren Tumoren führte. Diese waren zudem signifikant schwächer perfundiert und wiesen im Inneren größere hypoxische Areale auf als die A375 pIRES-Tumoren. Somit zeigte EphB4 neben seiner antimetastasischen Wirkung in vitro auch eine antitumorigene Wirkung in vivo, wobei letztere möglicherweise auf eine Störung der Gefäßbildung zurückzuführen ist. Da eine adäquate Blutversorgung der Tumoren für die Metastasierung von Tumorzellen von Bedeutung ist, könnte dies auch auf eine antimetastatische Wirkung in vivo hinweisen. Des Weiteren wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer, 18F-markierter EphB4 Kinaseinhibitor (Verbindung [18F]2) getestet. Dieser zeigte im A375-pIRES/EphB4-Tumor-Xenograft-Modell eine geringe Tumoranreicherung, die von der EphB4-Proteinbiosynthese in den Tumoren unabhängig war. Darüber hinaus kam es zur schnellen hepatobiliären Ausscheidung von Verbindung [18F]2, was deren radiopharmazeutischer Anwendung im Wege steht. SCHLUSSFOLGERUNG UND AUSBLICK Insbesondere die erhöhte Proteinbiosynthese von EphB4 hatte im Falle der untersuchten A375-Melanomzellen zu einer verminderten Migration und zu einer erhöhten Adhäsion der Zellen geführt. Somit konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass EphB4 die Metastasierungs-relevanten Eigenschaften dieser Zellen in vitro beeinträchtigt. Darüber hinaus deuteten Untersuchungen am A375-pIRES/EphB4-Tumor-Xenograft-Modell auf eine antitumorigene Wirkung des EphB4-Rezeptors in vivo hin. Aufgrund dessen muss der anfänglich formulierten Hypothese, dass EphB4 im Zusammenspiel mit seinem Liganden EphrinB2 die Progression und Metastasierung des malignen Melanoms fördert, widersprochen werden. Eine regulative Beteiligung des Kinase-defizienten Rezeptors EphB6, der ebenfalls zur Bindung von EphrinB2 fähig ist, konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht sicher nachgewiesen werden. Allerdings ergeben sich aufgrund der Expression der Rezeptoren EphB4 und EphB6 sowie deren Ligand EphrinB2 sowohl auf den untersuchten Melanomzellen als auch auf den verschiedenen Tumor-assoziierten inflammatorischen Zellen interessante Interaktionsmöglichkeiten dieser Zellen. Deren Einfluss auf die Progression und Metastasierung des malignen Melanoms sollte in weiterführenden Experimenten untersucht werden. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit etablierte A375-pIRES/EphB4-Tumor-Xenograft-Modell ermöglicht die In vivo-Charakterisierung von Radiotracer, die gegen Rezeptor-Tyrosinkinasen im Allgemeinen oder aber selektiv gegen EphB4 gerichtet sind. Da Verbindung [18F]2 eine ungünstige Pharmakokinetik zeigte, was wahrscheinlich auf die hohe Lipophilie des Radiotracers zurückzuführen ist, sollten sich zukünftige Untersuchungen mit der chemischen Modifikation dieser Verbindung beschäftigen, mit dem Ziel die Lipophilie und damit die biologische Halbwertszeit des Radiotracers zu verbessern. Zusätzlich sollte die Entwicklung von Radiotracern auf der Basis von löslichen Eph-Rezeptoren und Ephrinen (sEph bzw. sEphrin) weiter vorangetrieben werden.:1 EINLEITUNG 1.1 Die Bedeutung des Tumor-Mikromilieus bei der Entstehung des malignen Melanoms 1.2 Die Metastasierung des malignen Melanoms als limitierender Einflussfaktor auf die Tumortherapie 1.3 Die Rolle des Eph-Ephrin-Systems bei der Tumorprogression und Metastasierung 1.4 Zielstellung 2 MATERIAL UND METHODEN 2.1 Material 2.1.1 Eukaryotische Zellen 2.1.2 Prokaryotische Zellen 2.1.3 Versuchstiere 2.1.4 Plasmide 2.1.5 Kits 2.1.6 Antikörper 2.1.7 Verbrauchsmaterialien 2.1.8 Chemikalien, Medien und Enzyme 2.1.9 Puffer und Lösungen 2.1.10 Geräte 2.2 Molekularbiologische Methoden 2.2.1 RNA-Isolierung aus Zellen 2.2.2 DNase-Behandlung 2.2.3 Quantitative Echtzeit RT-PCR (qRT-PCR) 2.2.4 Klonierung von humanem EphB4, EphB6 und EphrinB2 in den eukaryotischen Expressionsvektor pIRES2-AcGFP1 2.2.4.1 Prinzip 2.2.4.2 Restriktionshydrolyse 2.2.4.3 Dephosphorylierung und Glättung der cDNA mittels Alkalischer Phosphatase und Klenow-Fragment 2.2.4.4 Agarose-Gelelektrophorese 2.2.4.5 Gelextraktion 2.2.4.6 Ligation 2.2.4.7 Herstellung Transformations-kompetenter E. coli 2.2.4.8 Transformation kompetenter E. coli 2.2.4.9 Plasmid-Isolierung 2.2.5 Klonierung von humanem sEphB4, sEphB6 und sEphrinB2 in den eukaryotischen Expressionsvektor pSecTag2B 2.2.5.1 Prinzip 2.2.5.2 PCR zur Gewinnung der cDNA für sEphrinB2, sEphB4 und sEphB6 2.2.5.3 Agarose-Gelelektrophorese und Gelextraktion 2.2.5.4 TOPO-TA-Klonierung, Transformation und Plasmid-Isolierung 2.2.5.5 Restriktionshydrolyse, Ligation, Transformation und Plasmid-Isolierung 2.3 Zellbiologische Methoden 2.3.1 Kultivierung eukaryotischer Zellen 2.3.2 Kontrolle von Zellkulturen auf Mykoplasmen-Kontamination 2.3.3 Kryokonservierung und Rekultivierung von Zellen 2.3.4 Transfektion und Antibiotikaselektion von COS-7-Zellen 2.3.5 Transfektion und Antibiotika-Selektion von A375-Zellen 2.3.6 Fluoreszenz-aktivierte Zellanalyse und -sortierung (FACS) von transfizierten A375-Zellen 2.3.7 Fluoreszenzmikroskopie von transfizierten A375-Zellen 2.3.8 Bestimmung der Zellproliferation und Zellvitalität mittels Wachstumskurve 2.3.9 Differenzierung humaner THP-1-Leukämiezellen zu Makrophagen-artigen Zellen (THP-1(M)) 2.3.10 Differenzierung humaner HL-60-Leukämiezellen zu Makrophagen-artigen (HL-60(M)) und Granulozyten-artigen (HL-60(G)) Zellen 2.3.11 Kokultivierung humaner Melanomzellen mit HL-60(M) und anschließende Trennung mittels Magnet-aktivierter Zell Separierung (MACS) 2.3.12 Adhäsionsassay 2.3.12.1 Adhäsion an Fibronektin 2.3.12.2 Adhäsion an HL-60(M)-Zellen 2.3.13 Migrationsassay 2.3.13.1 Boyden-Kammer-Assay 2.3.13.2 Wundheilungsassay 2.4 Proteinbiochemische Methoden 2.4.1 Proteinisolierung aus Zellkulturen 2.4.2 Proteinisolierung aus Gewebeproben 2.4.3 Proteinbestimmung 2.4.4 SDS-PAGE 2.4.5 Western Blotting und Immundetektion 2.4.6 Enzym-gekoppelter Immunadsorptionsassay (ELISA) 2.4.6.1 IL-6-ELISA 2.4.6.2 pEphB4-ELISA 2.4.7 Gewinnung und Reinigung der rekombinanten, löslichen Eph Rezeptoren sEphB4 und sEphB6 2.4.7.1 Gewinnung von COS-7-Zellkulturüberständen 2.4.7.2 Reinigung von sEphB4 und sEphB6 aus den COS-7-Zellkulturüberständen mittels Ni2+-Affinitätschromatographie 2.4.7.3 Regeneration der Ni2+-NTA-Agarose 2.4.7.4 Entfernung von Salzen und Imidazol mittels Schneller Protein-Flüssigkeitschromatographie (FPLC) 2.4.7.5 Entfernung von Salzen und Imidazol mit Hilfe von Zentrifugalkonzentratoren 2.4.7.6 Gefriertrocknung 2.5 Tierexperimentelle Arbeiten 2.5.1 Etablierung eines murinen Tumor-Xenograft-Modells mit subkutanen A375-pIRES/EphB4-Tumoren 2.5.2 Fluoreszenz-Bildgebung 2.5.3 Magnet-Resonanz-Tomographie 2.5.4 Untersuchung der Tumorperfusion mittels Hoechst 33342 2.6 Radiochemische und Radiopharmakologische Methoden 2.6.1 Darstellung und Radiomarkierung von EphB4-Kinaseinhibitoren 2.6.2 Untersuchung des Einflusses der Verbindungen 2 auf die Zellproliferation und Zellvitalität mittels MTT-Test 2.6.3 Untersuchung der zellulären Bindung und Aufnahme der Verbindung [18F]2 2.6.4 Kleintier-Positronen-Emissions-Tomographie 2.6.5 Bioverteilung 2.6.6 Metabolitenanalyse 2.6.7 Autoradiographie 2.7 Histologische Methoden 2.7.1 Anfertigung von Gefrierschnitten 2.7.2 Nachweis von Hoechst 33342 in Gefrierschnitten 2.7.3 Anfertigung von Paraffinschnitten 2.7.4 Nachweis von EphB4 in Paraffinschnitten 2.8 Statistische Auswertung 3 ERGEBNISSE 3.1 Genexpression von EphB4, EphB6 und EphrinB2 bei humanen Leukämie- und Melanomzellen 3.2 Proteinbiosynthese von EphB4, EphB6 und EphrinB2 bei humanen Leukämie- und Melanomzellen 3.3 Kokultivierung humaner Melanomzellen mit HL-60(M) 3.3.1 Etablierung eines Kokultur-Modells mit anschließender Trennung der humanen Melanomzellen von den HL 60(M)-Zellen 3.3.2 Einfluss der Kokultur auf das Adhäsions- und Migrationsverhalten der humanen Melanomzellen 3.3.2.1 Adhäsionsassay 3.3.2.2 Migrationsassay 3.3.3 Einfluss der Kokultur auf die Sekretion von Interleukin-6 durch die humanen Leukämie- und Melanomzellen 3.4 Überexpression von EphB4, EphB6 und EphrinB2 bei A375 Melanomzellen 3.4.1 Fluoreszenzmikroskopie und FACS 3.4.2 mRNA-Expression von EphB4, EphB6 und EphrinB2 3.4.3 Proteinbiosynthese von EphB4, EphB6 und EphrinB2 3.4.4 Proliferationsverhalten 3.5 Einfluss von EphB4, EphB6 und EphrinB2 auf das Adhäsions- und Migrationsverhalten von A375-Melanomzellen 3.5.1 Einfluss auf die Adhäsion 3.5.1.1 Adhäsion an Fibronektin 3.5.1.2 Adhäsion an HL-60(M)-Zellen 3.5.2 Einfluss auf die Migration 3.5.2.1 Boyden-Kammer-Assay 3.5.2.2 Wundheilungsassay 3.5.3 Einfluss der Kokultur mit HL-60(M)-Zellen auf das Adhäsions- und Migrationsverhalten der A375-Melanomzellen 3.6 Einfluss von EphB4, EphB6 und EphrinB2 auf das inflammatorische Potential von A375-Melanomzellen und HL 60(M)-Zellen 3.7 Charakterisierung eines murinen Tumor-Xenograft-Modells mit subkutanen A375-pIRES/EphB4-Tumoren 3.7.1 Charakterisierung des Tumorwachstums 3.7.2 Nachweis der EphB4-Proteinbiosynthese 3.7.3 Charakterisierung des Tumormetabolismus und der Tumorperfusion mit [18F]FDG 3.7.4 Charakterisierung der Tumorperfusion mit Hoechst 33342 3.7.5 Charakterisierung der CD31-Proteinbiosynthese 3.7.6 Charakterisierung hypoxischer Areale mit [18F]FMISO 3.8 Charakterisierung eines neuen, 18F-radiomarkierten EphB4-Kinaseinhibitors als Radiotracer zur Bildgebung von EphB4 mittels Kleintier-PET 3.8.1 Einfluss von Verbindung 2 auf die Zellproliferation und Zellvitalität 3.8.2 Einfluss von Verbindung 2 auf die EphB4-Phosphorylierung 3.8.3 Charakterisierung der Zellaufnahme von Verbindung [18F]2 3.8.4 Charakterisierung des In-vivo-Metabolismus von Verbindung [18F]2 im A375-pIRES/EphB4-Tumor-Xenograft-Modell 3.8.4.1 Kleintier-Positronen-Emissions-Tomographie 3.8.4.2 Autoradiographie 3.8.4.3 Bioverteilung 3.8.4.4 Metabolitenanalyse 3.9 Reinigung und Charakterisierung rekombinanter, löslicher Eph-Rezeptoren 3.9.1 Proteinbiosynthese und Sekretion von sEphB4 und sEphB6 3.9.2 Reinigung von rekombinantem sEphB4 und sEphB6 aus COS-7-Zellkulturüberständen 4 DISKUSSION 4.1 Therapiemöglichkeiten und Bedeutung von Tumor-assoziierten inflammatorischen Zellen beim malignen Melanom 4.2 Vorkommen von EphB4, EphB6 und EphrinB2 bei humanen Melanomzellen und inflammatorischen Zellen 4.3 Einfluss der Kokultur von Melanomzellen mit HL-60(M) auf die metastatischen und inflammatorischen Eigenschaften der Zellen 4.4 Einfluss von EphB4 auf das Wachstum und die Vaskularisierung von A375-Tumoren in vivo 4.5 Kinaseinhibitoren als potentielle Radiotracer für die In vivo-Bildgebung von Eph-Rezeptoren 4.6 Entwicklung löslicher Eph-Rezeptoren und Ephrin-Liganden als Grundlage für die In vivo-Bildgebung des Eph-Ephrin-Systems 5 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 6 ZUSAMMENFASSUNG 7 LITERATURVERZEICHNIS 8 DANKSAGUNG 9 VERÖFFENTLICHUNGEN UND KONFERENZBEITRÄGE

Das globale Phänomen Übergewicht erhöht das Risiko für die Entwicklung von Diabetes, Atherosklerose und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Diese sind assoziiert mit der Expression des Transmembranproteins Glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), das von Makrophagen und dendritischen Zellen exprimiert wird. Wir haben die Rolle von Gpnmb in genetisch- und diät-induzierter Atherosklerose sowie in diät-induzierter Adipositas in Gpnmb-Knockout- und Wildtyp-Mäusen untersucht. Körpergewicht und Blutfette wurden in beiden Erkrankungen nicht von Gpnmb beeinflusst. Gpnmb wurde in Makrophagen von atherosklerotischen Läsionen stark exprimiert, jedoch hatte das Fehlen von Gpnmb keinen Einfluss auf die Größe der Aortenläsion. In Übergewicht konnten wir dagegen einen größeren Effekt von Gpnmb detektieren. Gpnmb hatte einen positiven Einfluss auf den Insulin- und Glukoseplasmaspiegel sowie auf die Leberfibrose bei adipösen Mäusen. Gpnmb-Knockout-Tiere besaßen mehr Makrophagen im epididymalen Fettgewebe. Da Gpnmb in den entsprechenden Makrophagen von Wildtyp-Mäusen stark exprimiert wurde, könnte Gpnmb eine abschwächende Rolle auf Entzündungen des Fettgewebes haben. Dies wird durch in-vitro-Daten bestätigt, wo Gpnmb hauptsächlich in reparativen, TGFβ-stimulierten Makrophagen exprimiert wurde. Diese Expression führte jedoch nur zu einer leichten entzündungshemmenden Wirkung. Eine weitere Aufgabe von Makrophagen, die Autophagie, wurde durch Gpnmb nicht beeinflusst. Dies ist überraschend, da die Expression, die Freisetzung und der Abbau von Gpnmb durch Bafilomycin, einem Inhibitor des letzten Schritts der Autophagie, auf einzigartige Weise erhöht wurde. Zusammenfassend ist die Gpnmb-Expression in voll ausgereiften Makrophagen stark induziert und kann durch lysosomale Hemmung weiter gesteigert werden. Bei Adipositas verhindert Gpnmb die Entwicklung einer Insulinresistenz, möglicherweise durch Dämpfung der Entzündung des Fettgewebes. / Obesity, an emerging global phenomenon, increases the risk for the development of diabetes, atherosclerosis and cardiovascular diseases. Those metabolic diseases have been associated with the expression of glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), a transmembrane protein that is expressed by macrophages and dendritic cells. We studied the role of Gpnmb in genetically- and diet-induced atherosclerosis as well as diet-induced obesity in Gpnmb-knockout and respective wildtype control mice. The absence of Gpnmb did not affect body weight and blood lipid parameters in both diseases. Whereas Gpnmb was strongly expressed in atherosclerotic lesion-associated macrophages, the absence of Gpnmb did not influence the development of aortic lesion size. On the other hand, the absence of Gpnmb elicited stronger effects in obesity. We observed a positive influence of Gpnmb on insulin and glucose plasma levels as well as liver fibrosis in obese mice. Moreover, Gpnmb-knockout animals contained more macrophages in epididymal adipose tissue. Gpnmb was strongly expressed in adipose tissue macrophages in wildtype mice, suggesting an alleviating role of Gpnmb on adipose tissue inflammation. This was corroborated by in vitro data where Gpnmb was mostly expressed in reparative macrophages stimulated with transforming growth factor β (TGFβ). However, this expression resulted only in a mild anti-inflammatory effect. Another important macrophage feature, autophagy, was not influenced by Gpnmb. This is surprising as Gpnmb expression, shedding and degradation was uniquely increased by bafilomycin, an inhibitor of the last step of autophagy. Taken together, Gpnmb expression is strongly induced in fully mature macrophages and can be further increased due to lysosomal inhibition. In obesity, Gpnmb prevents the development of insulin resistance possibly by dampening adipose tissue inflammation.

Morbus Whipple (MW) ist eine chronische multisystemische Infektionskrankheit, die durch das Bakterium Tropheryma whipplei verursacht wird. Während asymptomatische Trägerschaften und selbst-limitierende Infektionen mit T. whipplei häufig vorkommen, ist die chronische Manifestation des MW sehr selten. Die geringe Inzidenz des MW bei ubiquitärer Verbreitung der Erreger deutet auf eine Assoziation mit prädisponierenden Faktoren bei der Entstehung der Erkrankung hin. Die zugrundeliegenden Faktoren und Mechanismen der Manifestation sind nicht ausreichend geklärt, sodass die vorliegende Arbeit die T-Zell-Reaktivität auf die Antigenpräsentation sowie die Interaktion von T. whipplei mit peripheren monozytären Zellen (PBMC) in vitro analysierte. Hierbei wiesen allogene PBMC von MW-Patienten bei produktiver Präsentation des T. whipplei GrpE Antigens über den MHC-I-Komplex einen vermehrten Anteil Perforin+ CD8+ T-Zellen auf. Die Interferon-g Produktion zeigte sich nach optimierter GrpE Präsentation mit gesunden Kontrollen vergleichbar, wodurch erstmalig nachgewiesen wurde, dass die verminderte T-Zell-Reaktion in MW-Patienten auf eine Dysfunktion im Zuge der Antigenpräsentation zurückzuführen ist. Die Infektion in vitro differenzierter Makrophagen mit vitalen T. whipplei resultierte in einer Reduktion der HLA-DR und CC-18 Expression. Stimulationen mit Bakterienlysat und -überstand induzierten keine phänotypischen Änderungen, wodurch die Hypothese einer aktiven Immunmodulation durch T. whipplei gestützt wurde. Transkriptomanalysen führten zur Identifikation von 105 Kandidaten-Gene, die die chronische Manifestation des MW bedingen könnten. Die klinische Relevanz der Gene ist in weiteren Studien zu prüfen, ebenso wie die Bedeutung CD14+ depletierter Zellen für die Pathogenese des MW. Diese gelangten im Zuge einer prospektiven Pilotstudie erstmalig in den Fokus und deuten darauf hin, dass neben Monozyten weitere Zellen in die systemische Verbreitung von T. whipplei involviert sind. / Whipple’s disease (WD) is a chronic systemic infection with the ubiquitous bacterium Tropheryma whipplei. Whereas self-limiting infections with T. whipplei occur frequently and lead to a protective immunity, a chronic manifestation of WD is rare and seems to be associated with predisposing immunological factors. These underlying factors have not yet been sufficiently understood. The present work analysed T cell reactivity against T. whipplei antigens and interaction of the pathogen with peripheral blood mononuclear cells in vitro. Upon stimulation with bacterial lysate, recombinant GrpE or Hsp70 of T. whipplei, the proportions of activated CD4+ and CD8+ T cells were significantly lower in WD-patients as compared to healthy controls. Productive presentation of GrpE antigens via the MHC-I complex resulted in an increase of perforin+ CD8+ T-cells in WD-patients. The proportion of interferon-gamma+ CD8+ T cells was comparable to healthy controls, thus demonstrating that the reduced T cell response in WD-patients is not due to a T cell defect, but to a dysfunction in antigen presentation. T. whipplei infection of in vitro differentiated macrophages significantly reduced the expression of HLA-DR and CC-18 in WD-patients and controls, whereas bacterial lysate and bacterial supernatant did not induce phenotypic changes. These findings supported the hypothesis of an active immunomodulation by T. whipplei, resulting in reduced antigen presentation and enabling intracellular persistence. Microarray based transcriptome analysis identified 105 candidate genes that may be related to the chronic manifestation of WD. Clinical relevance of these genes has to be examined in further studies, as well as the importance of CD14+ depleted cells for the pathogenesis of WD. The detection of bacterial DNA in CD14+ depleted cells in the course of a prospective pilot study indicated that, in addition to monocytes, other cells are involved in the systemic distribution of T. whipplei.

Macrophages are innate immune cells responsible for engulfing microbes and cell debris through phagocytosis and orchestrating immune responses to maintain homeostasis. While conducting immune surveillance over all types of organs and tissues, macrophages face inherently heterogeneous microenvironments with unique biophysical features. For instance, microglia residing in the brain, Kupffer cells living in the skin and bone osteoclasts are exposed to very distinct tissue stiffnesses. Despite the research done in the last decade clearly indicates that macrophages are sensitive to physical factors, how mechanical cues modulate their inflammatory response remains poorly understood. The present study aims at investigating how microenvironment stiffness influences the pro-inflammatory behaviour of macrophages. Besides characterising the regulatory effect on pro-inflammatory gene expression and cytokine production, this work examines the impact of stiffness on the inflammasome, one of the main macrophage signalling platforms. For this, an in vitro system based in 2D polyacrylamide hydrogels whose stiffness can be independently tuned was established. Using substrates with an elastic moduli between 0.2 and 33.1 kPa, bone marrow-derived macrophages adopted a less spread and rounder morphology on compliant compared to stiff polyacrylamide. Upon priming with lipopolysaccharide, the expression levels of the gene encoding for TNF-α were higher on more compliant hydrogels, yet there were no significant differences in the expression of other major pro-inflammatory genes. Additionally stimulating macrophages with the ionophore nigericin revealed higher secreted protein levels of IL-1β and IL-6 on compliant substrates. Interestingly, macrophages challenged on compliant polyacrylamide also displayed an enhanced formation of the NLRP3 inflammasome as well as increased levels of pyroptotic cell death. The upregulation of inflammasome assembly on compliant hydrogels was not primarily attributed to the reduced cell spreading, since spatially confining cells on micropatterns led to a decrease of inflammasome-positive cells compared to well-spread cells. Finally, interfering with actomyosin contractility diminished the differences in inflammasome formation between compliant and stiff substrates. In summary, these results show that substrate stiffness affects the pro-inflammatory response of macrophages and for the first time describe that the NLRP3 inflammasome is one of the signalling components affected by stiffness mechanosensing. The work presented here expands our understanding of how microenvironment stiffness affects macrophage behaviour and which elements of their machinery might contribute to integrate mechanical cues into the regulation of their inflammatory functions. The onset of pathological processes or the implant of foreign bodies represent immune challenges in which macrophages can face a mechanically changing environment. Therefore, a better insight on how macrophages detect and process biophysical signals could potentially provide a basis for new strategies to modulate inflammatory responses.:INTRODUCTION 1.1 Macrophage cell biology 1.1.1 The origin of macrophages 1.1.2 The macrophage: a swiss army knife 1.1.3 The macrophage pro-inflammatory response 1.2 Immunobiophysics: the force of the immune system 1.2.1 Exertion of immune cell forces 1.2.2 Immune cell mechanosensing 1.3 Cellular mechanosensing and mechanotransduction 1.3.1 Cell adhesions to the extracellular matrix 1.3.2 Nuclear mechanotransduction 1.3.3 Membrane mechanosensing elements 1.4 Macrophage mechanosensing AIMS AND SCOPE OF THE THESIS RESULTS 3.1 Morphol. characterisation of macrophages cultured on substrates of varying stiffness 3.1.1 BMDMs adhere and can be cultured on polyacrylamide hydrogels 3.1.2 Macrophage morphology is influenced by substrate stiffness 3.1.3 PEG-Hep hydrogels induce similar morphological differences as PAA substrates but do not constitute a suitable macrophage culture platform 3.1.4 Substrate stiffness affects membrane architecture 3.2 Impact of substrate stiffness on the pro-inflammatory response of macrophages 3.2.1 The morphol. differences induced by different stiffness persist after macrophage priming 3.2.2 Tuning substrate stiffness does not cause major changes in the expression of pro-inflammatory genes 3.2.3 Lower substrate stiffness upregulates the secretion of the cytokines IL-6 and IL-1β 3.2.4 Stiffer substrates diminish macrophage pyroptotic cell death 3.2.5 Compliant substrates enhance NLRP3 inflammasome formation 3.3 Investigation of macrophage mechanotransducing elements 3.3.1 Limiting cell spreading alone does not recapitulate the effects induced by stiffness on inflammasome formation 3.3.2 Actomyosin contractility may play a role in transducing the mechanical cues given by substrate stiffness DISCUSSION AND CONCLUSIONS 4.1 Compliant substrates enhance the macrophage pro-inflammatory response 4.2 Substrate stiffness influences the formation of the NLRP3 inflammasome 4.3 Exclusively altering cell spreading does not explain the differences induced by substrate stiffness 4.4 Actomyosin contractility as a potential macrophage mechanotransducer element 4.5 Potential impact of the study in the context of cancer 4.6 Potential impact of the study in the context of implant design 4.7 Conclusions of the study MATERIALS AND METHODS 5.1 Production of polyacrylamide (PAA) hydrogels 5.2 Production of polyethylenglycol-heparin (PEG-Hep) hydrogels 5.3 Mechanical characterisation of hydrogels and macrophages 5.4 Isolation and culture of bone marrow-derived macrophages (BMDMs) 5.5 Fluorescence confocal microscopy 5.6 Scanning electron microscopy (SEM) 5.7 Gene expression analysis using quantitative real-time PCR (qRT-PCR) 5.8 Cytokine quantification assays 5.9 Cell viability assay 5.10 Culture of BMDMs on micropatterns 5.11 Optical diffraction tomography (ODT) 5.12 Statistical analysis and data visualisation APPENDIX LIST OF ACRONYMS AND ABBREVIATIONS LIST OF FIGURES BIBLIOGRAPHY ACKNOWLEDGEMENTS / Als Teil des angeborenen Immunsystems sind Makrophagen dafür verantwortlich Pathogene und Zellrückstände durch Phagozytose zu beseitigen. Sie orchestrieren Immunantworten um homöostatische Bedingungen von Organen und Geweben aufrechtzuerhalten. Dabei sind sie extrem heterogenen Mikroumgebungen ausgesetzt, welche sich jeweils durch eine einzigartige Kombination von (bio)chemischen und mechanischen Eigenschaften, vor allem Gewebesteifigkeiten, auszeichnen. Dies veranschaulichen beispielsweise im Gehirn residierende Mikroglia, Kupffer-Zellen in der Haut und Osteoklasten in Knochen. Obwohl diverse Studien aus dem letzten Jahrzehnt eindeutig zeigen, dass Makrophagen auf mechanische Signale reagieren, ist der zugrunde liegende Mechanismus, wie diese Signale eine Entzündungsreaktion modulieren, noch immer unzureichend verstanden. Die vorliegende Studie beinhaltet die systematische Untersuchung, wie die Steifigkeit der Mikroumgebung das proinflammatorische Verhalten von Makrophagen beeinflusst. Neben der Charakterisierung der regulatorischen Wirkung auf die proinflammatorische Genexpression und Zytokinproduktion untersucht diese Arbeit auch den Einfluss der Steifigkeit auf das Inflammasom; eine der wichtigsten Signalplattformen für Makrophagen. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein Zellkultursystem mit 2D-Polyacrylamid-Hydrogelen als Zellsubstrat entwickelt, bei dem das Elastizitätsmodul der Gelsubstrate gezielt eingestellt werden kann. Unter Verwendung von Substraten mit einem Elastizitätsmodul zwischen 0,2 kPa und 33,1 kPa zeigt die mikroskopische Analyse, dass aus Knochenmark stammende Makrophagen im Vergleich zu steifem Polyacrylamid eine weniger ausgebreitete und rundere Morphologie annehmen. Nach dem Primen mit Lipopolysaccharid waren die Expressionsniveaus des Gens, das für TNF-α kodiert, auf deformierbareren Hydrogelen höher, jedoch gab es keine signifikanten Unterschiede in der Expression anderer wichtiger pro-inflammatorischer Gene. Eine zusätzliche Stimulierung von Makrophagen mit dem Ionophor Nigericin bewirkte höhere sekretierte Proteinspiegel von IL-1β und IL-6 auf deformierbaren Substraten. Makrophagen, die deformierbarem Polyacrylamid ausgesetzt waren, zeigten auch eine verstärkte Bildung des NLRP3-Inflammasoms sowie ein erhöhtes Ausmaß an pyroptotischem Zelltod. Die Hochregulierung der Inflammasom-Assemblierung auf deformierbaren Hydrogelen wurde nicht primär auf die reduzierte Zellausbreitung zurückgeführt, da räumlich begrenzte Zellen auf Mikromustern zu einer Abnahme von Inflammasom-positiven Zellen im Vergleich zu stark ausgebreiteten Zellen führten. Schließlich verringerte eine Störung der Aktomyosin-Kontraktilität die Unterschiede in der Inflammasombildung zwischen deformierbaren und steifen Substraten. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die Substratsteifigkeit die proinflammatorische Reaktion von Makrophagen beeinflusst und beschreiben erstmalig, dass das NLRP3-Inflammasom eine der Signalkomponenten ist, die von der zellulären Steifheitswahrnehmung beeinflusst werden. Die hier vorgestellte Arbeit erweitert unser Verständnis davon, wie die Steifigkeit der Mikroumgebung das Verhalten von Makrophagen beeinflusst und welche Elemente ihrer Maschinerie dazu beitragen könnten mechanische Signale in die Regulierung ihrer Entzündungsfunktionen zu integrieren. Das Einsetzen pathologischer Prozesse oder die Implantation von Fremdkörpern stellen Immunherausforderungen dar, bei denen Makrophagen einer sich mechanisch verändernden Umgebung ausgesetzt sein können. Daher könnte ein besserer Einblick in die Art und Weise, wie Makrophagen biophysikalische Signale erkennen und verarbeiten, möglicherweise eine Grundlage für neue Strategien zur Modulation von Entzündungsreaktionen bieten.:INTRODUCTION 1.1 Macrophage cell biology 1.1.1 The origin of macrophages 1.1.2 The macrophage: a swiss army knife 1.1.3 The macrophage pro-inflammatory response 1.2 Immunobiophysics: the force of the immune system 1.2.1 Exertion of immune cell forces 1.2.2 Immune cell mechanosensing 1.3 Cellular mechanosensing and mechanotransduction 1.3.1 Cell adhesions to the extracellular matrix 1.3.2 Nuclear mechanotransduction 1.3.3 Membrane mechanosensing elements 1.4 Macrophage mechanosensing AIMS AND SCOPE OF THE THESIS RESULTS 3.1 Morphol. characterisation of macrophages cultured on substrates of varying stiffness 3.1.1 BMDMs adhere and can be cultured on polyacrylamide hydrogels 3.1.2 Macrophage morphology is influenced by substrate stiffness 3.1.3 PEG-Hep hydrogels induce similar morphological differences as PAA substrates but do not constitute a suitable macrophage culture platform 3.1.4 Substrate stiffness affects membrane architecture 3.2 Impact of substrate stiffness on the pro-inflammatory response of macrophages 3.2.1 The morphol. differences induced by different stiffness persist after macrophage priming 3.2.2 Tuning substrate stiffness does not cause major changes in the expression of pro-inflammatory genes 3.2.3 Lower substrate stiffness upregulates the secretion of the cytokines IL-6 and IL-1β 3.2.4 Stiffer substrates diminish macrophage pyroptotic cell death 3.2.5 Compliant substrates enhance NLRP3 inflammasome formation 3.3 Investigation of macrophage mechanotransducing elements 3.3.1 Limiting cell spreading alone does not recapitulate the effects induced by stiffness on inflammasome formation 3.3.2 Actomyosin contractility may play a role in transducing the mechanical cues given by substrate stiffness DISCUSSION AND CONCLUSIONS 4.1 Compliant substrates enhance the macrophage pro-inflammatory response 4.2 Substrate stiffness influences the formation of the NLRP3 inflammasome 4.3 Exclusively altering cell spreading does not explain the differences induced by substrate stiffness 4.4 Actomyosin contractility as a potential macrophage mechanotransducer element 4.5 Potential impact of the study in the context of cancer 4.6 Potential impact of the study in the context of implant design 4.7 Conclusions of the study MATERIALS AND METHODS 5.1 Production of polyacrylamide (PAA) hydrogels 5.2 Production of polyethylenglycol-heparin (PEG-Hep) hydrogels 5.3 Mechanical characterisation of hydrogels and macrophages 5.4 Isolation and culture of bone marrow-derived macrophages (BMDMs) 5.5 Fluorescence confocal microscopy 5.6 Scanning electron microscopy (SEM) 5.7 Gene expression analysis using quantitative real-time PCR (qRT-PCR) 5.8 Cytokine quantification assays 5.9 Cell viability assay 5.10 Culture of BMDMs on micropatterns 5.11 Optical diffraction tomography (ODT) 5.12 Statistical analysis and data visualisation APPENDIX LIST OF ACRONYMS AND ABBREVIATIONS LIST OF FIGURES BIBLIOGRAPHY ACKNOWLEDGEMENTS