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.

Regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen sind essentiell für das Gleichgewicht des intestinalen Immunsystems. Eine Einschränkung ihrer Suppressionsfunktion wird bei Patienten mit Immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked (IPEX)-Syndrom beobachtet und führt im Tiermodell zu lymphoproliferativen Erkrankungen und intestinalen Entzündungen. Von entscheidender Bedeutung für Homöostase und Suppressionsfunktion regulatorischer T-Zellen ist das Signalmolekül Interleukin-2 (IL-2). Im Gegensatz zu Effektor-T-Zellen exprimieren Foxp3+CD4+ T-Zellen den hochaffinen IL-2-Rezeptor αβγ konstitutiv. IL-2 wird von regulatorischen T-Zellen nicht in relevanten Mengen exprimiert. Sie sind somit auf von anderen Zellen sezerniertes IL-2 angewiesen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Tiermodell regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen durch Applikation eines IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex nicht nur in mesenterialen Lymphknoten und Milz, sondern auch lokal in der Lamina propria mucosae des Kolons der Versuchstiere expandiert werden. Als relevante Quelle von IL-2 in situ könnten aktivierte proliferierende T-Zellen dienen. Um dies näher zu untersuchen, wurde die Proteinexpression proliferierender Einzelzellen mittels Matrix assisted laser desorption/ionisation-Time of flight-Massenspektrometrie-Imaging (MALDI-Imaging) analysiert. Es gelang die Identifikation präferentiell in lymphoiden Geweben exprimierter Peptidmassen. Obwohl die Einzelzellanalyse mittels MALDI-Imaging prinzipiell möglich erscheint, ist ein Nachweis von Zytokinen wie IL-2 derzeit aufgrund fehlender Sensitivität im Proteinmassebereich zwischen 10kDa und 20kDa nicht möglich. Die therapeutischen Möglichkeiten der Expansion regulatorischer Foxp3+ T-Zellen durch stabile IL-2-Rezeptor-Agonisten und die Rolle von IL-2 für die intestinale Immunregulation sollten weiter untersucht werden.

Regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen sind essentiell für das Gleichgewicht des intestinalen Immunsystems. Eine Einschränkung ihrer Suppressionsfunktion wird bei Patienten mit Immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked (IPEX)-Syndrom beobachtet und führt im Tiermodell zu lymphoproliferativen Erkrankungen und intestinalen Entzündungen. Von entscheidender Bedeutung für Homöostase und Suppressionsfunktion regulatorischer T-Zellen ist das Signalmolekül Interleukin-2 (IL-2). Im Gegensatz zu Effektor-T-Zellen exprimieren Foxp3+CD4+ T-Zellen den hochaffinen IL-2-Rezeptor αβγ konstitutiv. IL-2 wird von regulatorischen T-Zellen nicht in relevanten Mengen exprimiert. Sie sind somit auf von anderen Zellen sezerniertes IL-2 angewiesen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Tiermodell regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen durch Applikation eines IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex nicht nur in mesenterialen Lymphknoten und Milz, sondern auch lokal in der Lamina propria mucosae des Kolons der Versuchstiere expandiert werden. Als relevante Quelle von IL-2 in situ könnten aktivierte proliferierende T-Zellen dienen. Um dies näher zu untersuchen, wurde die Proteinexpression proliferierender Einzelzellen mittels Matrix assisted laser desorption/ionisation-Time of flight-Massenspektrometrie-Imaging (MALDI-Imaging) analysiert. Es gelang die Identifikation präferentiell in lymphoiden Geweben exprimierter Peptidmassen. Obwohl die Einzelzellanalyse mittels MALDI-Imaging prinzipiell möglich erscheint, ist ein Nachweis von Zytokinen wie IL-2 derzeit aufgrund fehlender Sensitivität im Proteinmassebereich zwischen 10kDa und 20kDa nicht möglich. Die therapeutischen Möglichkeiten der Expansion regulatorischer Foxp3+ T-Zellen durch stabile IL-2-Rezeptor-Agonisten und die Rolle von IL-2 für die intestinale Immunregulation sollten weiter untersucht werden.:Bibliographische Beschreibung 3 Inhaltsverzeichnis 4 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 9 1.1. Störung der Barrierefunktion des intestinalen Immunsystems als Ursache chronisch entzündlicher Darmerkrankungen 9 1.2. Foxp3+ regulatorische T-Zellen 10 1.3. Die Rolle von Interleukin-2 für regulatorische T-Zellen 11 1.4. Signaltransduktion in regulatorischen T-Zellen als Grundlage ihrer selektiven Expansion und Induktion 12 1.5. Möglichkeiten der präferentiellen Expansion regulatorischer T-Zellen 15 1.5.1. Expansion regulatorischer T-Zellen durch Agonisten des hochaffinen IL-2-Rezeptors 15 1.5.2. Induktion regulatorischer T-Zellen durch TGF-β 16 1.5.3. Expansion regulatorischer T-Zellen durch Rapamycin (Sirolimus) 17 1.5.4. Expansion regulatorischer T-Zellen durch UVB-Bestrahlung bzw. Vitamin D-Rezeptor-Agonisten 18 1.5.5. Expansion regulatorischer T-Zellen durch Histon-Deacetylaseinhibitoren 19 1.6. Suppression von Effektor-T-Zellen durch regulatorische T-Zellen 20 1.6.1. Zellkontaktabhängige Mechanismen 20 1.6.2. Zellkontaktunabhängige Mechanismen 22 1.7. Matrix assisted laser desorption ionisation-Time of flight-Massenspektromie (MALDI-TOF-MS): Bedeutung und Funktion 23 1.8. Zielstellung 25 2. Materialien und Methoden 26 2.1. Versuchstiere 26 2.2. IL-2/IgG2b-Fusionsprotein-Vorexperiment 26 2.2.1. Induktion von 2,4,6-Trinitrobenzensulfonsäure (TNBS)-Kolitis 26 2.2.2. Durchführung des IL-2/IgG2b-Fusionsprotein-Vorexperimentes 26 2.3. Durchführung des IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex-Experiments 27 2.4. Durchflusszytometrie 27 2.5. Histologische Färbungen 28 2.5.1. Probenvorbereitung 28 2.5.2. Hämatoxylin/Eosin (HE) Färbung 29 2.5.3. Immunfluoreszenz-Färbungen 29 2.5.4. Ki67-Schnellfärbung 30 2.5.5. Mikroskopie und Photographie 30 2.6. Histologische Auswertungen 31 2.6.1. Kolitis-Score 31 2.6.2. Bildanalyse 31 2.6.3. Validierung der automatischen Bildanalyse mittels CellProfiler 33 2.7. MALDI-Imaging 35 2.7.1. Probenvorbereitung für MALDI-Imaging 35 2.7.2. Analyse der Peptidexpression in Gewebeschnitten mittels MALDI-Imaging 36 2.8. Statistische Auswertungen 36 2.8.1. Statistische Tests 36 2.8.2. Berechnung der zu erwartenden Zahl von Kontakten zwischen Ki67+ und Foxp3+ Zellen 36 3. Ergebnisse 38 3.1. Design des IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex Experimentes 38 3.2. Mit IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex behandelte Tiere zeigen Splenomegalie und Lymphadenomegalie 40 3.3. Behandlung mit einem IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex führt zur präferentiellen Expansion regulatorischer T-Zellen in mesenterialen Lymphknoten und Milz 41 3.4. Behandlung mit IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex führt nicht zu Kolitis 43 3.5. Behandlung mit IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex führt zur präferentiellen Expansion regulatorischer T-Zellen in der Lamina propria mucosae 45 3.6. IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex steigert die Proliferation regulatorischer T-Zellen in der Lamina propria mucosae und lymphoiden Follikeln des Kolons 47 3.7. Regulatorische T-Zellen sind nach Behandlung mit IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex weiter mit proliferierenden Zellen assoziiert. 50 3.8. MALDI-Imaging als Möglichkeit der Proteinexpressionsanalyse in situ 52 3.8.1. Vergleich der Proteinexpression in verschiedenen Geweben von Ileum und Zäkum mit der Expression in Thymus und mesenterialem Lymphknoten 55 3.8.2. MALDI-Imaging nach Schnellfärbung Ki67+ Zellen mit Streptavidin 63 3.8.3. Analyse der Massenspektren von Einzelzellen mittels MALDI-Imaging 66 4. Diskussion 68 4.1. Applikation von IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex hat keine fatalen Nebenwirkungen 68 4.2. IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex führt zur präferentiellen Expansion regulatorischer T-Zellen in mesenterialen Lymphknoten, Milz und Kolon 70 4.3. IL-10 als wichtiger Vermittler der Suppressionsaktivität durch IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex expandierter regulatorischer T-Zellen 71 4.4. Expansion regulatorischer T-Zellen beim Menschen: Voraussetzungen und Chancen 72 4.5. Regulatorische T-Zellen akkumulieren an proliferierenden Zellen 73 4.6. Nachweis spezifischer Massen in Gewebe und Einzelzellen mittels MALDI-Imaging 74 5. Zusammenfassung 80 Literaturverzeichnis 83 Publikationen 90 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 97 Lebenslauf 98 Danksagungen 99