In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung von T. pyriformis GL für den Nachweis von Botulinumneurotoxinen als biologische Alternative zum Maus-Bioassay untersucht werden. Dazu wurden funktionelle Tests für die Quantifizierung der mutmaßlich SNARE-abhängigen Prozesse Phagozytose und Exozytose entwickelt. Die Botulinumneurotoxine wurden durch Kultivierung der C. botulinum-Toxovare A bis G in einem Caseinpepton-Glukose-Hefeextrakt-Medium mit und ohne Zusatz von Trypsin herge-stellt. Die Neurotoxinkonzentrationen wurden mit Hilfe des Maus-Bioassays bestimmt. Für den Phagozytosetest wurde E. coli K12 als Beutekeim gewählt. Es konnte gezeigt werden, dass die KbE/ml von E. coli K12 allein durch die Phagozytoseaktivität von T. pyriformis reduziert wurde. Für den Exozytosetest wurde die saure Phosphatase als Leitenzym gewählt. Die neurotoxinhaltigen Kulturüberstände wurden mit Neurotoxinendkonzentrationen von 1,50E+02 MLD/ml (Maus letale Dosis/ml) bei den trypsinisierten und nicht trypsinisierten Ansätzen der Toxovare A bis D, F und G bzw. von 1,50E+00 MLD/ml bei dem trypsinisierten Ansatz des Toxovars E in den entwickelten Tests eingesetzt und auf ihren Einfluss untersucht. Die eingesetzten Neurotoxinkonzentrationen erwiesen sich als nicht ausreichend. Zudem wurde eine erhebliche Anfälligkeit der Phagozytose- und Exozytoseleistung von T. pyriformis gegen die Proteinkonzentrationen der eingesetzten Kulturüberstände nachgewiesen. Aufgrund dessen ist die Eignung von T. pyriformis im Rahmen der entwickelten Tests für den Nachweis von Botulinumneurotoxinen aus Proben wie biologischen Substraten oder mit ähnlichen, komplexen Matrizes nicht gegeben.

Das Humane Immundefizienz-Virus 1 (HIV-1) rekrutiert Wirtszellproteine und -Signalwege für seinen eigenen Lebenszyklus und beeinträchtigt viele Funktionen von Immunzellen, darunter die Phagozytose von Pathogenen durch Makrophagen. Diese Schwächung der Immunabwehr verursacht das acquired immunodeficiency syndrome (AIDS).Der Zusammenbau von HIV-1 geschieht sowohl an der Plasmamembran als auch in endosomalen Kompartimenten und wird durch das Struktur-Polyprotein Gag kontrolliert, das auch für die Freisetzung virusähnlicher Partikel (VLPs) aus der Wirtszelle sorgt. Vorangegangene Studie haben gezeigt, dass durch hohe induzierte Calciumkonzentrationen im Zytoplasma die Anzahl an VLPs in endolysosomalen Kompartimenten steigt und die VLP-freisetzung drastisch zunimmt. Der verantwortliche Mechanismus ist jedoch bisher unbekannt. Die vorliegende Arbeit zeigt zunächst, dass Calciumausschüttung aus Lysosomen die Fusion von Endosomen und Lysosomen - und damit die Exozytose der in Lysosomen enthaltenen VLPs - auslöst. Dieser Prozess wird durch Synaptotagmin VII reguliert und verhindert den Abbau eines Teils der in späten Endosomen und Lysosomen eingschlossenen VLPs. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung eines nanobiotechnologischen Systems zur Eliminierung von Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) mit Hilfe von Makrophagen. Dieses basiert auf Immunoliposomen, die HIV-VLPs über anti-Env-Antikörper binden und von Makrophagen dank membranständigem Phosphatidylserin (PS), einem apoptotischen Signal, phagozytiert werden. Die Lipososmen imitieren apoptotische Zellen und induzieren ihre Internalisierung und die lysosomale Aufnahme von HIV-VLPs. Das System nutzt einen effizienten Internalisierungsweg, der während der HIV-1-Infektion nicht beeinträchtigt ist. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die intrazellulären Prozesse der HIV-1 Freisetzung und präsentieren PS-Immunoliposomen als neuen potentiellen nanomedizinischen Ansatz zur Virusbeseitigung und HIV-Antigenpräsentation. / Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) hijacks proteins and signaling pathways of the host cell for its own life cycle, thereby impairing many functions of immune cells, including pathogen-phagocytosis by macrophages. The overall weakening of immune functions eventually results in the development of acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 assembly takes place at the plasma membrane as well as in endosomal compartments and is governed by the structural polyprotein Gag, which is also sufficient for the release of virus-like particles (VLPs) from the host cell. It was shown that an induced high cytoplasmic calcium concentration increases the amount of VLPs in endo-lysosomal compartments and results in a dramatic enhancement of VLP release [1,2]. However, the mechanism by which calcium can promote the release of VLPs remains to be determined. The first part of this work shows that release of calcium from lysosomes causes fusion between endosomes and lysosomes as well as exocytosis of lysosomeentrapped VLPs. This mechanism is regulated by Synaptotagmin VII and prevents degradation of a part of the late endosome- and lysosome-entrapped VLPs. The second part focuses on the development of a nanobiotechnological system for the clearance of Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) by macrophages. This system is based on immunoliposomes that (1) bind HIV-VLPs via anti-Env antibodies and (2) are phagocytosed by macrophages due to the presence of phosphatidylserine (PS), an apoptotic signal. Essentially, the PS-liposomes mimic apoptotic cells thereby inducing internalization and lysosomal delivery of bound HIV-VLPs. These immunoliposomes exploit an efficient internalization pathway not impaired upon HIV-1 infection. The results of this thesis provide new insights into the intracellular pathways controlling HIV-1 release and demonstrate that PS-immunoliposomes can represent a novel nanomedical approach for viral clearance and HIV antigen presentation.

Streptococcus pneumoniae ist der häufigste Erreger bakterieller Meningitiden. Eine Pneumokokken-Meningitis führt trotz Ausschöpfung aller heute verfügbaren Behandlungsmöglichkeiten in 25 % der Fälle zum Tod. Steigende Antibiotikaresistenzen und die Limitation verfügbarer Vakzine auf einige Serotypen von S. pneumoniae erfordern neue Ansätze in der antimikrobiellen Therapie. Cholin-bindende Proteine (CBPs) sind gemeinsames Merkmal aller Pneumokokkenstämme und für die Virulenz dieses Bakteriums essenziell. Durch Zugabe potenter Anticholinergika können die CBPs von der Bakterienoberfläche abgelöst und damit inhibiert werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob durch Inhibition von CBPs während des Wachstums der Pneumokokken deren Phagozytose durch Mikrogliazellen in vitro gesteigert werden kann. Während ihres Wachstums wurden die Bakterien dazu mit potenten Anticholinergika inkubiert und am Ende ihrer exponentiellen Wachstumsphase auf murine Mikrogliazellen gegeben. Nicht alle eingesetzten Anticholinergika konnten die Inhibition der CBPs – angezeigt durch die Bildung langer Kokkenketten – bewirken, obwohl für sie alle eine hohe Affinität zu den CBPs in früheren Arbeiten nachgewiesen worden war. Ipratropium, das in höheren Konzentrationen das Pneumokokkenwachstum inhibiert, induzierte in den von uns eingesetzten niedrigen Konzentrationen weder die Bildung von Ketten noch führte es zu einer erhöhten Phagozytoseleistung. Mit DMAE funktionalisiert zeigten PAMAM-Dendrimere der 1. Generation ebenfalls keine Inhibition der CBPs: Es bildeten sich weder Kokkenketten noch zeigte sich eine erhöhte Bakterienaufnahme der Mikroglia. Im Gegensatz dazu stellte sich unter Einfluss von PPI-g2-DMAE neben ausbleibender Kettenbildung ein dosisabhängiger phagozytosehemmender Effekt dar. Einzig durch Co-Inkubation mit dem mit Cholin funktionalisierten PPI-Dendrimer der 2. Generation gelang die Inhibition der CBPs mit resultierender Bildung langer Ketten. Die Phagozytoseleistung zeigte eine dosisabhängige Steigerung sowohl für eine CoInkubation während der gesamten exponentiellen Wachstumsphase als auch nach Co-Inkubation während ihrer letzen 2 Stunden. Dennoch konnte im Sepsismodell der Maus durch intraperitoneale Injektion dieses Dendrimers 15 min vor Infektion mit S. pneumoniae kein protektiver Effekt erzielt werden: Zwischen den mit Dendrimeren behandelten Tieren und denen der Kontrollgruppe zeigten sich keine Unterschiede in Überlebenszeit und Sterblichkeit, dem krankheitsbedingten Gewichtsverlust, dem klinischen Score und der durch Ausplattieren von Milzhomogenaten ermittelten Keimkonzentration im Blut infektionsbedingt verstorbener Tiere. Die von uns eingesetzten Konzentrationen von Ipratropium scheinen für eine Inhibition der CBPs nicht ausgereicht zu haben. Der bislang nicht genau geklärte wachstumsinhibitorische Effekt, der sich in unseren Versuchen bereits ab 5 mM bemerkbar machte, könnte jedoch durch Inhalation von Ipratropium gezielt zur Prophylaxe von Pneumokokken-Pneumonien genutzt werden. Bei an Dendrimere gekoppelten, eigentlich potenten Liganden der CBPs konnte beobachtet werden, dass sie als Teil des Dendrimers ihre Affinität gegenüber den CBPs nicht nur deutlich verändern, sondern auch unerwartete Effekte (Verminderung der Phagozytose) hervorrufen können. Wegen der raschen Elimination scheint die einmalige Gabe eines potenten Dendrimers zur Inhibition der CBPs in vivo nicht auszureichen und erklärt das Versagen im Sepsismodell. Neuere Untersuchungen zur Distribution im Hirnparenchym nach intraventrikulärer oder subarachnoidaler Injektion lassen hoffen, dass durch Gabe subtoxischer Dosen die von uns beobachtete Phagozytosesteigerung in vivo reproduzierbar ist. Durch Inhibition der CBPs ist es möglich, die Virulenz aller Serotypen des Pneumokokkus stark zu reduzieren. Potente Inhibitoren könnten sowohl als Therapeutikum als auch zur Infektionsprophylaxe eingesetzt werden, ohne dass es dabei zur Ausbildung von Resistenzen kommt, da zeitgleich mehrere Virulenzfaktoren inhibiert werden. Es ist daher von großem medizinischen Interesse, Inhibitoren der CBPs zu entwickeln, die in subtoxischen Dosen eine hohe Affinität zu den CBPs aufweisen und diese inhibieren.

Bei der Alzheimerschen Erkrankung handelt es sich um eine progressiv verlaufende, neurodegenerative Erkrankung, die die häufigste Form altersbedingter, kognitiver Dysfunktionen des Menschen darstellt. Sie ist pathomorphologisch durch eine fortschreitende Formation von amorphen und kompakten extrazellulären Amyloid-Ablagerungen (Plaques) sowie durch die Ausbildung intrazellulärer neurofibrillärer Bündel charakterisiert. Die Oligomerisierung und die Aggregation von β-Amyloid1-42-Peptiden zu fibrillären Plaques und davon ausgehende neurodegenerative Veränderungen führen zu einer unspezifischen Aktivierung von Mikrogliazellen und zu Entzündungsprozessen im ZNS. Diese Antigen-unspezifische Form der Mikroglia-Aktivierung ist neurotoxisch und fördert daher die Neurodegeneration im Verlauf der Alzheimerschen Erkrankung. Mikroglia-Aktivierung ist allerdings nicht generell neurotoxisch, da es verschiedene, in der vorliegenden Arbeit diskutierte Arten von mikroglialer Aktivierung mit jeweils unterschiedlichen – neurotoxischen bis hin zu neuroprotektiven - Auswirkungen gibt. Das Ziel dieser Arbeit war es, die mikrogliale Aktivierung in einem Mausmodell des Morbus Alzheimer zu modulieren und die resultierenden Effekte zu charakterisieren. Für die Modulation der mikroglialen Aktivierung wurde die subklinische Infektion mit dem neurotropen Borna Disease Virus (BDV) genutzt. Um den Einfluss der veränderten mikroglialen Aktivierung auf die zerebrale β-Amyloid-Belastung zu untersuchen, wurden swAPP-transgene Mäuse der Linie Tg2576 verwendet, die die schwedische Mutationsvariante des humanen app überexprimieren. Diese Mäuse produzieren humane β-Amyloid-Peptide, die sich mit zunehmendem Alter zu Plaques formieren. Transgene Mäuse wurden in drei Altersgruppen (11, 13,5 und 18 Monate) BDV-infiziert. Vier Wochen später wurden im Gehirn der Mäuse immunhistochemisch Lymphozyteninfiltration, Astroglia- und Mikroglia-Aktivierung untersucht. Die zerebrale βA-Belastung dieser BDV-infizierten Mäuse wurde mittels βA1-42-Immunhistochemie und Thioflavin-S-Markierung histometrisch quantifiziert und mit nicht infizierten, transgenen Kontrollmäusen verglichen. Auch eine biochemische Analyse der βA1-40- und βA1-42-Peptide mittels ELISA wurde vorgenommen. Zu keinem Zeitpunkt wurde eine klinisch manifeste BDV-Erkrankung registriert; die BDV-infizierten Mäuse blieben klinisch unauffällig. βA-Ablagerungen allein waren nur bei massiver Formation in der Lage, einzelne Mikroglia-zellen zu aktivieren. Erst die intrazerebrale BDV-Infektion induzierte vorrangig CD4-T-lymphozytäre Infiltrationen sowie eine deutliche BDV-spezifische Aktivierung der Mikroglia-zellen, die vier Wochen p.i. maximal ausgeprägt waren. Es lag eine positive lokale und graduelle Korrelation zwischen CD4-T-Lymphozyteninfiltrationen und Mikroglia-Aktivierung in den Gehirnen BDV-infizierter Mäuse vor. Bis auf eine Untersuchungsgruppe wurde keine nachweisbare Reaktion der Astroglia - weder auf die BDV-Infektion, noch auf die βA-Ablagerungen - registriert. In allen untersuchten Altersgruppen wurde ein tendenziell reduzierter βA-Gehalt in den Gehirnen der BDV-infizierten Tiere gegenüber den nicht infizierten Kontrolltieren registriert. Diese βA-Reduktion nach BDV-Infektion war in der Altersgruppe 13,5 Monate am deutlichsten ausgeprägt, wo die βA-Belastung der BDV-infizierten Tiere in vielen untersuchten Arealen signifikant geringer war als die der Kontrolltiere. Eine lokale Korrelation zwischen Mikroglia-Aktivierung und βA-Reduktion wurde nicht nachgewiesen. In zahlreichen untersuchten Hirnarealen aller drei Altersgruppen war der Anteil von vaskulär lokalisiertem β-Amyloid in den Gehirnen der BDV-infizierten Mäuse gegenüber den nicht infizierten Kontrollmäusen signifikant erhöht. Schlussfolgerungen: 1) In unserem Mausmodell führt die BDV-Infektion zu einer Modulation der Mikroglia-Aktivierung. 2) Die Korrelation der Mikroglia-Aktivierung mit viral bedingter T-Zellinfiltration und erhöhter Zytokinexpression deutet auf adaptive, T-Zell-vermittelte Modulation als Induktor dieser Aktivierung. 3) Die BDV-induzierte Mikroglia-Aktivierung führt zu einer: a) β-Amyloid-Reduktion, an der vermutlich von spezifisch aktivierten Mikrogliazellen ausgehende Clearance-Mechanismen beteiligt sind. b) β-Amyloid-Umverteilung vom Parenchym zu den Gefäßen, vermutlich, um den βA-Abtransport über das Gefäßsystem zu realisieren, wobei Amyloid-Einlagerungen in die Gefäßwände möglich sind. 4) Die viral induzierte Mikroglia-Aktivierung hängt sowohl vom Alter als auch von möglicher Voraktivierung der Zellen ab; altersbedingte Dysfunktionalität der Mikroglia ist eine potentielle Ursache der geringeren β-Amyloid-Clearance in der Altersgruppe 18 Monate. 5) Die Modulation der Mikroglia-Aktivierung ist prinzipiell möglich und führt zu potentiell positiven Effekten. 6) Dieses Modell ist zur Untersuchung der Modulation mikroglialer Aktivierung über adaptive Mechanismen geeignet. / Alzheimer´s Disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and the most common form of age-related cognitive failure in humans. Pathomorphologically, it is characterized by a progressive accumulation of amorphous and compact extracellular amyloid-β deposits (plaques) as well as intracellular neurofibrillary tangles. Oligomerization and aggregation of amyloid-β1-42, its formation of fibrillary deposits as well as associated neurodegenerative changes lead to an unspecific activation of microglial cells and to inflammatory processes in the CNS. This unspecific form of microglial activation is neurotoxic and enhances neurodegeneration in the course of Alzheimer´s Disease. However, microglial activation is not neurotoxic per se, since there are various types of microglial activation that are being discussed in this study; the different activation types have varying effects reaching from neurotoxic to neuroprotective. The aim of the study was to modify microglial activation in a mouse model of Morbus Alzheimer and to characterize the resulting effects. For the modulation of microglial activation, we used the subclinic infection with the neurotropic Borna Disease Virus (BDV). In order to study the impact of the modulated microglial activation on the cerebral amount of beta-amyloid material, we used swAPP-transgenic Tg2576 mice, which overexpress the Swedish mutation variant of the human APP. These mice produce human amyloid β peptides that form amyloid plaques upon aging. We infected transgenic mice intracerebrally with BDV at different ages (11, 13,5 and 18 months old) and investigated brain-sections of these mice four weeks later by means of immunohistochemistry with regard to lymphocytic infiltrations, astroglial and microglial activation. The amount of amyloid β in the brains of BDV-infected mice was compared to that of non-infected, transgenic mice. The investigation of the cerebral amyloid β load was realized immunohistochemically by using an anti-Aβ1-42-antibody as well as by means of Thioflavin-S fluorescence technique followed by histometric quantification. Additionally, a biochemical analysis of Aβ1-40 and Aβ1-42 peptides was done using an ELISA-kit. A clinically apparent BDV-disorder could not be seen at any stage; BDV-infected mice remained free of BDV symptoms. Only massive amyloid-β deposits were able to independently induce activation of single microglial cells. Intracerebral BDV-infection caused marked infiltrations of primarily CD4-T-lymphocytes as well as a prominent specific microglial activation, which reached maximum levels four weeks p.i. A positive local and gradual correlation of CD4-T-lymphocytes and microglial activation was registrated in the brains of BDV-infected mice. Except one age group, neither BDV-infection nor amyloid-β deposits induced a detectable reaction of astrocytes. In all investigated age groups, a reduced amount of amyloid-β could be measured in the brains of BDV-infected mice compared to non-infected control mice. This Aβ reduction after BDV-infection was most prominent in the age group 13,5 months, where Aβ-load of BDV-infected mice was significantly decreased in many brain areas compared to that of control mice. A local correlation of microglial activation and Aβ reduction could not be observed. Several brain areas in all three age groups showed a significantly higher amount of vascular amyloid-β in the brains of BDV-infected mice compared to those of non-infected controls. Conclusions: 1) In our mouse model, BDV-infection leads to a modulation of microglial activation. 2) The correlation of microglial activation with viral-induced infiltrations of T cells and with upregulated cytokine expression suggests an adaptive, T cell-induced modulation as trigger of this acivation. 3) BDV-specific microglial activation leads to: a) Reduced cerebal amyloid-β load, possibly realized by clearance mechanisms of activated microglial cells. b) Redistribution of amyloid-β from the parenchyma to the vessels, possibly in order to clear the amyloidogenic material via the vasculature. During these processes, amyloid deposition in the walls of the cerebral blood vessels is possible. 4) Viral-induced microglial activation depends on the cell´s age and possible pre-activation; dysfunctional changes in microglia might be a cause for the less effective Aβ-clearance observed in the age group 18 months. 5) In principle, modulation of microglial activation is possible and leads to potential beneficial effects. 6) This study displays a proper model for investigations of the modulation of microglial activation via adaptive mechanisms.

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