T cells play an essential role in the immune system. Engaging the T cell receptor (TCR) initiates a cascade of signaling events that activates the T cells. Neutral sphingomyelinase (NSM) is a member of a superfamily of enzymes responsible for the hydrolysis of sphingomyelin into phosphocholine and ceramide. Sphingolipids are essential mediators in signaling cascades involved in apoptosis, proliferation, stress responses, necrosis, inflammation, autophagy, senescence, and differentiation. Upon specific ablation of NSM2, T cells proved to be hyper-responsive to CD3/CD28 co-stimulation, indicating that the enzyme acts to dampen early overshooting activation of these cells. It remained unclear whether a deregulated metabolic activity supports the hyper-reactivity of NSM2 deficient T cells. This work demonstrates that the ablation of NSM2 activity affects the metabolism of the quiescent CD4+ T cells. These accumulate ATP in mitochondria and increase basal glycolytic activity by increasing the basal glucose uptake and GLUT1 receptor expression, which, altogether, raises intracellular ATP levels and boosts cellular respiration. The increased basal metabolic activity is associated with rapid phosphorylation of S6, a mTORC1 target, as well as enhanced elevation total ATP levels within the first hour after CD3/CD28 costimulation. Increased metabolic activity in resting NSM2 deficient T cells does, however, not support sustained stimulated responses. While elevated under steady-state conditions and elevated early after co-stimulation in NSM2 deficient CD4+ T cells, the mTORC1 pathway regulating mitochondria size, oxidative phosphorylation, and ATP production is impaired after 24 hours of stimulation. Taken together, the absence of NSM2 promotes a hyperactive metabolic state in unstimulated CD4+ T cells yet fails to support sustained T cell responses upon antigenic stimulation without affecting T cell survival. / T-Zellen spielen eine wesentliche Rolle im Immunsystem. Die Aktivierung des T-Zell-Rezeptors (TCR) löst eine Kaskade von Signalereignissen aus, die die T-Zellen aktivieren. Neutrale Sphingomyelinase (NSM) gehört zu einer Superfamilie von Enzymen, die für die Aufspaltung von Sphingomyelin in Phosphocholin und Ceramid verantwortlich sind. Sphingolipide sind wesentliche Mediatoren in Signalkaskaden, die an Apoptose, Proliferation, Stressreaktionen, Nekrose, Entzündung, Autophagie, Seneszenz und Differenzierung beteiligt sind. NSM2-depletierte T-Zellen erwiesen sich als hyper-reaktiv gegenüber CD3/CD28-Kostimulation, was darauf hinweist, dass das Enzym eine überschießende Aktivierung dieser Zellen dämpft. Es blieb unklar, ob die Hyperreaktivität NSM2-defizienter T-Zellen durch eine deregulierte Stoffwechselaktivität unterstützt wird. Diese Arbeit zeigt, dass NSM2-Insuffizienz den Metabolismus ruhender CD4+-T-Zellen beeinflusst: Diese akkumulieren ATP in Mitochondrien und zeigen eine erhöhte basale glykolytische Aktivität, die auf einer erhöhten Glukoseaufnahme und Expression des GLUT1-Rezeptors beruht und mit einer Erhöhung intrazellulärer ATP-Werte und gesteigerten Zellrespiration einhergeht. Aufgrund ihrer bereits erhöhten basalen metabolische Aktivität zeigen NSM2 defiziente T Zellen eine im Vergleich zu Kontrollzellen schnellere, effizientere Aktivierung nach Kostimulation, die sich in Phosphorylierung von S6, eines mTORC1 Targets, sowie erhöhtem ATP Spiegel manifestiert. Dies kann jedoch nicht aufrechterhalten werden:Die mTORC1-Aktivierung, die die Größe der Mitochondrien, die oxidative Phosphorylierung und die ATP-Produktion reguliert, unter stationären Bedingungen in NSM2-defizienten CD4+-T-Zellen erhöht ist, ist nach 24-stündiger Kostimulation beeinträchtigt. Insgesamt scheint die NSM2-Aktivität wesentlich für die Regulation der basalen metabolischen Aktivität ruhender T-Zellen und der Vermeidung überschiessender Antworten nach Kostimulation zu sein, jedoch ebenso wichtig für die dauerhafte Aufrechterhaltung des Aktivierungssignals zu sein.

Die endogene Präsentation von intrazellulären Antigenen auf Major-Histokompatibilitätskomplex Klasse-II (MHC-II) -Molekülen ist von entscheidender Bedeutung für eine Reihe von immunologischen Prozessen. Die mechanistischen Grundlagen dieses Präsentationsweges sind aber noch weitgehend unverstanden. Ziel dieser Arbeit war es, einen Beitrag zum molekularen Verständnis der Abläufe zu leisten, die an der endogenen Präsentation nukleärer Antigene auf MHC-II-Molekülen beteiligt sind. Dazu sollte am Beispiel des nukleär lokalisierten Modellantigens Neomycin-Phosphotransferase II (NucNeoR) sowie des viralen Kernantigens Epstein-Barr-virus nuclear antigen 3C (EBNA3C) und entsprechender antigenspezifischer MHC-II-restringierter CD4+ T-Zellen die verantwortlichen Präsentationswege in professionell und nicht-professionell antigenpräsentierenden Zellen untersucht werden. In beiden Zellsystemen wurde NucNeoR über einen endogenen Präsentationsweg und nicht über die Freisetzung und Wiederaufnahme als exogenes Protein auf MHC-II-Molekülen präsentiert. Durch die Verwendung chemischer Inhibitoren konnte eine Beteiligung der Autophagie an der endogenen Antigenpräsentation nachgewiesen werden. Da Autophagie ausschließlich im Zytoplasma stattfindet, wurde nach möglichen Eintrittspforten für nukleäre Proteine in diesen Abbauweg gesucht. Für die Autophagie-abhängige Präsentation von NucNeoR war weder ein CRM1-vermittelter aktiver Export des Antigens aus dem Kern ins Zytoplasma, noch eine Auflösung der Kernmembran im Rahmen der Zellteilung und der dadurch bedingten Durchmischung nukleärer und zytoplasmatischer Bestandteile notwendig. Mit Hilfe eines konditionalen Antigenexpressionsystems und der Auftrennung antigenexprimierender Zellen nach Zellzyklusphasen konnte eine verstärkte Antigenpräsentation in der G1/0-Phase nachgewiesen werden, die mit fortschreitendem Zellzyklus immer mehr abnahm. Die Antigenpräsentation korrelierte dabei mit der ebenfalls im Laufe des Zellzyklus abnehmenden Transkriptions- bzw. Translationsrate des Antigens, aber nicht mit der absoluten Menge an Antigen in den Zellen. Bei abgeschalteter Antigentranskription dagegen korrelierte die Antigenpräsentation mit der MHC-II-Oberflächenexpression, die von der G1/0- bis hin zur G2/M-Phase kontinuierlich zunahm. Eine ähnliche Korrelation von Antigentranskription/ Antigentranslation und Autophagie-abhängiger Antigenpräsentation wurde auch für EBNA3C und die zytoplasmatisch lokalisierte NeoR-Variante beobachtet. Diese Ergebnisse identifizieren die Autophagie-abhängige Präsentation neusynthetisierter Proteine als den verantwortlichen molekularen Mechanismus für die endogene Präsentation der untersuchten nukleären Antigene auf MHC-II-Molekülen. Durch die Kopplung von Translation und autophagischem Abbau erlangen Proteine unabhängig von ihrer subzellulären Lokalisation Zugang zu diesem Präsentationsweg und erweitern so das Spektrum der intrazellulären Antigene, die einer CD4+ T-Zellüberwachung unterliegen. / The endogenous presentation of intracellular antigens on major histocompatibility complex class II (MHC-II) molecules plays an important role in adaptive immune responses, but the underlying molecular mechanisms are not well understood. The aim of this study was to gain insight into the endogenous presentation pathways for nuclear antigens on MHC-II molecules. By using antigen-specific CD4+ T cell clones, MHC-II presentation of the nuclear antigens neomycin phosphotransferase II (NucNeoR) and Epstein-Barr virus nuclear antigen 3C (EBNA3C) was studied in professional and non-professional antigen presenting cells (APC). Both types of APC presented peptides derived from these nuclear proteins on MHC-II molecules by an endogenous presentation pathway and not by release and reuptake as exogenous protein. Inhibition of autophagy drastically reduced endogenous antigen presentation, indicating that nuclear proteins enter the MHC-II processing and loading compartment through autophagic vesicles. Because autophagocytosis occurs in the cytoplasm, potential entry routes for nuclear proteins into this pathway were investigated. Endogenous presentation of NucNeoR on MHC-II molecules by autophagy did neither involve the CRM1-mediated export of the nuclear protein into the cytoplasm, nor the redistribution of nuclear and cytoplasmic components following the dissolution of the nuclear envelope during mitosis. Conditional antigen expression and cell cycle phase separation of antigen-expressing cells revealed that antigen presentation was maximal in cells in G1/0 and then gradually decreased as cells progressed in the cell cycle. This reduction in antigen presentation correlated with a cell cycle-dependent decrease in antigen transcription/translation, but not with the total amount of antigen present in these cells. By contrast, when antigen expression was turned off, antigen presentation correlated with MHC-II surface expression, which increased from G1/0- to G2/M-phase. A similar correlation between antigen presentation and antigen transcription/translation was also observed for the antigens EBNA3C and the cytosolic variant of neomycin phosphotransferase II (NeoR). These results identify autophagocytosis of newly-synthesized proteins as the molecular mechanism mediating endogenous presentation of nuclear and cytosolic antigens on MHC-II molecules. By coupling protein translation and autophagocytosis, newly-synthesized proteins gain access to the endogenous MHC-II presentation pathway irrespective of their subcellular localisation and thereby broaden the spectrum of intracellular antigens that are presented to CD4+ T cells.

Die Ätiologie und Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sind nur unvollständig verstanden. Bei der primär sklerosierenden Cholangitis bzw. bei der autoimmunen Hepatitis sind Cholangiozyten der größeren Gallengänge und Hepatozyten die Zielzellen der Autoimmunreaktion in der Leber. Mausmodelle sind zur Analyse initialer pathophysiologischer Prozesse notwendig und tragen zum besseren Verständnis der immunologischen Vorgänge in der Leber bei. Mit Hilfe transgener Mauslinien, die das Modellantigen Ovalbumin gewebespezifisch in den Cholangiozyten (ASBT-OVA) oder in den Hepatozyten (TF-OVA) exprimieren, sowie adoptiven Transfers antigenspezifischer CD4+ und CD8+ T-Zellen wurden Untersuchungen zur Antigenpräsentation, T-Zell-Aktivierung und Toleranzinduktion in der Leber durchgeführt. Die Expression von Ovalbumin in Cholangiozyten resultierte in einer Aktivierung der CD8+ T-Zellen in der Leber und den Lymphknoten. Im Gegensatz dazu ignorierten naive CD4+ T-Zellen das Antigen und wurden nicht aktiviert. Die Expression von Ovalbumin in Hepatozyten resultierte in einer vollständigen Aktivierung der CD8+ T-Zellen zu Effektorzellen über Kreuzpräsentation durch professionelle antigenpräsentierende Zellen (APZ) in der Leber. Diese Aktivierung war transient und selbst-limitiert. Die Induktion von CD4+Foxp3+ regulatorischen T-Zellen trug entscheidend zur Limitierung der induzierten Autoimmunität und Kontrolle der Expansion von antigenspezifischen CD8+ T-Zellen bei. Naive CD4+ T-Zellen benötigten die Aktivierung durch APZ in einem anderen Organ, bevor sie in die Leber relokalisierten und wiesen keinen Effektorphänotyp auf. Beide Modelle repräsentieren nicht die chronische Eigenschaft humaner autoimmuner Lebererkrankungen, ermöglichen jedoch Untersuchungen zum besseren Verständnis der Rolle verschiedener T-Zell-Populationen in der Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sowie der Antigenpräsentation und Aktivierung von T-Zellen durch hepatisches Antigen. / Aetiology and pathogenesis of autoimmune liver diseases are still incompletely understood. Cholangiocytes of the larger bile ducts and hepatocytes are the target structures of autoimmune reactions in the liver in primary sclerosing cholangitis and autoimmune hepatitis, respectively. Mouse models are necessary to analyse initial pathophysiological processes and contribute to a better understanding of immunological processes in the liver. With the help of transgenic mouse strains, in which the model antigen ovalbumin is expressed specifically in the cholangiocytes (ASBT-OVA) or in hepatocytes (TF-OVA), as well as the adoptive transfer of antigen specific CD4+ and CD8+ T cells, antigen presentation, T cell activation and tolerance induction in the liver, were analyzed. Expression of ovalbumin in cholangiocytes resulted in activation of CD8+ T cells in the liver and lymph nodes. In contrary, naïve antigen specific CD4+ T cells ignored the antigen expressed by cholangiocytes and were not activated. Expression of ovalbumin in hepatocytes resulted in complete activation of CD8+ T cells to become effector cells by crosspresentation depending on professional antigen presenting cells (APCs) in the liver. This activation was transient and self-limiting. Induction of CD4+Foxp3+ regulatory T cells played a crucial role in limiting autoimmunity and controlling the expansion of antigen specific CD8+ T cells in the liver. By contrast, naïve CD4+ T cells required activation by professional APCs in a different organ before relocating to the liver and did not display an effector phenotype. Both models do not represent the chronic characteristics of human autoimmune liver diseases, but help to gain a better understanding regarding the role of specific T cell populations in the pathogenesis of autoimmune liver diseases, as well as regarding antigen presentation and activation of T cells by hepatic antigen.

Background Regulatory T cells (Treg) are a subpopulation of CD4+ T cells that play an important role in the peripheral tolerance mechanisms of the immune system. Their suppressive function on autoreactive T cells can prevent autoimmunity. In type 1 diabetes (T1D), Treg have been inconsistently reported to be impaired in their capability to suppress autoreactive T cells (Tan, et al., 2014; Zhang, et al., 2012). Treg can be thymus derived (tTreg) or generated from naïve CD4+ CD25- T cells in the periphery (pTreg), which exhibit similar suppressive qualities as tTreg. They have also been reported to be actively induced (iTreg) under tolerogenic conditions (Kleijwegt, et al., 2010; Yuan and Malek, 2012). Although several Treg subpopulations have been described, the archetypical Treg express the major markers CD4, CD25 and FOXP3, while CD127 is heavily downregulated. However, activated conventional T cells (Tconv) show a similar phenotype, at least transiently (Miyara, et al., 2009). Since Treg and Tconv have opposing functions and therapeutic indications, it is important to obtain markers that confidently identify bona fide Treg. Scientific aim The aim of my thesis is to define the heterogeneity of human T cells with a specific emphasis to identify bona fide Treg. I examined heterogeneity of this population in healthy controls and T1D patients, as my model disease, and examined how T cells that are exposed to antigen can be defined as Treg or Tconv. Material and Methods For marker phenotyping I used samples from new onset T1D patients (age 7-11 years), autoantibody positive (Aab+) patients and age-matched healthy controls, which were tested by flow cytometry with an array of Treg-associated markers. Separately, freshly isolated CD4+CD25+CD127lo Treg and CD+CD25- Tconv were used for transcriptomic analysis, which was done by RNAseq on isolated whole RNA. For functional analysis of antigen specific gene expression patterns I developed a multi-dye proliferation assay. Treg (CD4+CD25+CD127lo) and Tconv (CD4+CD25-CD127+/lo) were sorted from isolated peripheral blood mononuclear cells (PBMC). I recombined the sorted and proliferation dye stained subsets with CD4- cells to simulate whole PBMC assays and stimulated them with tetanus-, influenza- or auto-antigens (GAD65, proinsulin). Cells were incubated for 5 days and responding proliferating cells as well as non-responding cells were single cell sorted and analyzed by multiplex qPCR. In investigating therapeutic approaches to expand or generate Treg, I examined in vitro approaches for de novo induction of Tregs with tolerogenic dendritic cells (tDCs). The tDCs were differentiated from monocytes either in the presence of 1α,25-OH(2)Vitamin D3 and/or Dexamethasone and matured with lipopolysaccharide. In a multistep assay, naïve T cells were incubated with DCs for two rounds and functional suppression assays were performed. The resultant T cells were analyzed at the DNA, protein, and functional level. Results Substantial phenotypic heterogeneity of peripheral blood CD4+ T cells was observed and documented for three major populations: resting Tconv (CD25-CD127+/lo), activated Tconv (CD25+CD127+) and Treg (CD25+CD127lo) in healthy controls. Despite this, I observed no differences between the Treg subpopulations from new onset T1D patients, Aab+ patients and healthy controls. In addition, there were no differences in the Treg transcriptome of T1D patients and healthy controls by RNAseq. I was, however, able to identify a small set of differentially expressed genes was discovered in Tconv suggesting a role of neutrophils in the onset of T1D. Heterogeneity of antigen-responsive Tconv and Treg was identified by gene expression profiling. I was able to define Treg specific as well as activation specific profiles, and found different expression profiles if T cells are foreign antigen or autoantigen activated and if the responding cells are Treg or Tconv. Genes that define the specific profiles include FOXP3, CD127, several cytokines, transcription factors and activation markers. The manipulation of naïve CD4+CD25- T cells by tDCs led to an unstable CD25+CD127loFOXP3+ phenotype of the generated cells. However, none of the subsequently performed functional assays could confirm that the resultant cells were iTreg or exhausted activated Tconv. In particular, methylation status of the Treg-specific demethylated region (TSDR) was inconsistent with stable Treg, suggesting that so-called tolerogenic protocols may not lead to a long-lived Treg phenotype. Conclusion CD4+CD25+ T cells are heterogeneous. I defined marker combinations that will help distinguish Treg from ex vivo and in vitro activated Tconv cells. With these tools, I was able to show that healthy controls and patients with type 1 diabetes cannot be distinguished by Treg phenotype. Comprehensive single cell analysis of antigen activated T cells provided the most promising avenue for identifying antigen-specific Treg and opens new possibilities to analyze immune therapeutic approaches, particularly when Treg expansion is the therapeutic objective. The findings will be used for monitoring children participating in antigen-based prevention studies in children at risk for T1D. / Hintergrund Regulatorische T Zellen (Treg) sind eine Subpopulation der CD4+ T Zellen, welche eine wichtige Rolle in den peripheren Toleranzmechanismen des Immunsystems spielen. Ihre suppressive Funktion auf autoreaktive T Zellen kann Autoimmunität verhindern. Verschiedene Studien berichteten widersprüchlich, dass Treg in Typ 1 Diabetes (T1D) in ihrer Fähigkeit beeinträchtigt sind autoreaktive T Zellen zu supprimieren (Tan et al., 2014; Zhang et al., 2012). Treg können im Thymus differenzieren (tTreg) oder aus peripheren naïven CD4+CD25- T Zellen generiert werden (pTreg), welche ähnliche suppressive Eigenschaften wie tTreg besitzen. Es wurde außerdem berichtet, dass Treg aktiv unter tolerisierenden Konditionen induziert werden können (iTreg) (Kleijwegt et al., 2010; Yuan and Malek, 2012). Obwohl verschiedene Treg Subpopulationen beschrieben wurden, exprimieren die archetypischen humanen Treg die Hauptmarker CD4, CD25 und FOXP3 exprimieren, während CD127 herunterreguliert ist. Jedoch zeigen auch aktivierte konventionelle T Zellen (Tconv) diesen Phänotyp (Miyara et al., 2009). Da Treg und Tconv gegensätzliche Funktionen und therapeutische Indikationen aufweisen, ist es wichtig Marker zu erhalten, die sicher bona fide Treg identifizieren. Fragestellung Das Ziel meiner Arbeit ist es, die Heterogenität von humanen T Zellen zu definieren mit einen spezifischen Fokus bona fide Treg zu identifizieren. Dafür untersuchte ich die Heterogenität dieser Zellpopulation in gesunden Individuen und T1D Patienten, als Krankheitsmodell, und wie T Zellen als Treg oder Tconv definiert werden können wenn sie einem Antigen ausgesetzt sind. Material und Methoden Für das Phänotypisieren habe ich Proben von Patienten mit beginnendem T1D (Alter 7-11 Jahre), Autoantikörper positiven Patienten (Aab+) und gesunden Individuen mittels Durchflusszytometrie auf eine Reihe von Treg-assoziierten Markern getestet. Des Weiteren wurden frisch isolierte CD4+CD25+CD127lo Treg und CD+CD25- Tconv für die Transkriptomanalyse (RNAseq) genutzt, welche mit der Gesamt-RNA durchgeführt wurden. Für die funktionelle Analyse von Antigen-spezifischen Genexpressionsmustern habe ich ein Multifarbenproliferationstest entwickelt. Treg (CD4+CD25+CD127lo) und Tconv (CD4+CD25-CD127+/lo) wurden aus isolierten mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMC) sortiert. Ich habe die sortierten und gefärbten Zellen mit CD4- Zellen zusammengefügt, um einen Gesamt-PBMC-Test zu simulieren und habe die Zellen mit Tetanus-, Influenza- oder Auto-antigen (GAD65, Proinsulin) stimuliert. Die Zellen wurden für 5 Tage inkubiert und die Antigen-reagierenden und -proliferierenden Zellen sowie die nicht-reagierenden Zellen Einzelzell sortiert und mittels Multiplex qPCR analysiert. Um therapeutische Ansätze zum Expandieren oder Generieren von Treg zu untersuchen, habe ich in vitro Ansätze für die de novo Induktion von Treg durch die Nutzung von tolerisierenden dendritischen Zellen (tDCs) untersucht. Die tDCs wurden von Monozyten in Anwesenheit von 1α,25-OH(2)Vitamin D3 und/oder Dexamethason differenziert und mit Lipoploysaccharid maturiert. Naïve T Zellen wurden in einem Mehrschrittverfahren mit DCs inkubiert. Die resultierenden T Zellen wurden auf DNA, Protein und funktioneller Ebene analysiert. Ergebnisse Substantielle phänotypische Heterogenität von peripheren Blut CD4+ T Zellen wurde in drei Hauptpopulationen in gesunden Individuen beobachtet und dokumentiert: ruhende Tconv (CD25-CD127+/lo), aktivierte Tconv (CD25+CD127+) und Treg (CD25+CD127lo). Weiterführend ergab der phänotypische Vergleich von Patienten mit beginnender T1D, Aab+ Patienten und gesunden Individuen keine Unterschiede in den Treg Subpopulationen. Außerdem zeigten sich keine Unterschiede in den durch RNAseq gemessenen Treg Transkriptomen von T1D Patienten und gesunden Individuen. Jedoch wurde ein kleine Gruppe von differentiell exprimierten Genen in Tconv entdeckt, welche eine mögliche Rolle von Neutrophilen in T1D andeuten. Heterogenität von Antigen-spezifischen Tconv und Treg Antworten wurde durch Genexpressionsanalysen identifiziert. Ich konnte Treg- sowie Aktivierungs-spezifische Muster definieren und verschiedene Expressionsprofile finden, wenn T Zellen durch Fremd- oder Autoantigen aktiviert wurden und ob sie die reagierenden Zellen Treg oder Tconv sind. Folgende Gene waren hauptsächlich in die Profilbildung involviert: FOXP3, CD127, mehrere Zytokine, Transkriptionsfaktoren und Aktivierungsmarker. Die Manipulation von naïven CD4+CD25- T Zellen durch tDCs führte zu einem instabilen CD25+CD127loFOXP3+ Phänotyp der generierten Zellen. Jedoch konnte keiner der weiterführenden funktionellen Analysen unterscheiden, ob die resultierenden Zellen iTreg oder aktivierte erschöpfte T Zellen waren. Insbesondere war der Methylierungsstatus der Treg-spezifisch demethylierten Region (TSDR) nicht konsistent mit einen stabilen Treg Phänotyp, was darauf hinweist, dass sogenannte tolerisiernde Protokolle nicht zu einem langlebigen Treg Phänotyp führen. Schlussfolgerungen CD4+CD25+ T Zellen sind heterogen. Ich habe Markerkombinationen definiert die helfen werden Treg von ex vivo und in vitro aktivierten Tconv Zellen zu unterscheiden. Mit diesen Mitteln war ich in der Lage zu zeigen, dass gesunde Individuen und Patienten mit Typ 1 Diabetes nicht anhand ihres Treg Phänotyps unterschieden werden können. Umfassende Einzelzell-Analysen von Antigen aktivierten T Zellen lieferten den vielversprechendsten Ansatz für die Identifizierung von Antigen-spezifischen Treg und eröffnen neue Möglichkeiten um immuntherapeutische Ansätze zu analysieren, insbesondere wenn Treg Expansion das therapeutische Ziel ist. Diese Erkenntnisse werden zukünftig für das Monitoring von Kindern, mit einem hohen T1D Risiko, genutzt die an Antigen-basierten Präventionsstudien teilnehmen.

Hintergrund:Die Aktivierung naiver T-Zellen ist Folge eines Kontaktes zu Antigen präsentierenden Zellen (APC), die auf ihrer Oberfläche Antigene im MHC-Peptid-Komplex präsentieren. Bisherige Daten zur Kontaktdauer und -dynamik sowie zur nachfolgenden Aktivierung und Proliferation naiver T-Zellen beruhen meist auf Ergebnissen von Experimenten, die in Flüssigkulturmodellen gemacht wurden. Aus diesen resultierte die Beschreibung des sog. statischen Interaktionskonzeptes. Die T-Zell-Aktivierung wird überwiegend als Folge eines einzelnen lang dauernden und statischen Kontaktes zwischen T-Zelle und APC beschrieben (single encounter model), der zu einer kontinuierlichen Stimulation des T-Zell-Rezeptors über mehrere Stunden führt. Dem gegenüber steht das Konzept dynamischer Interaktionen, in dem T-Zell-Aktivierung und -Proliferation als Folge dynamischer, kurz dauernder und sequentieller Kontakte zu einer oder zu verschiedenen DC beschrieben werden (serielles Kontaktmodell). Methode: Da Flüssigkeitskulturen jedoch nicht annähernd das dreidimensionale Netzwerk lymphatischer Organe widerspiegeln, in dem der Kontakt zwischen T-Zellen und APC in vivo stattfindet, sollten in der vorliegenden Arbeit naive T-Zellen und dendritische Zellen (DC) in einer dreidimensionalen (3D) Umgebung kokultiviert und auf Interaktionsdynamik und Mitoseaktivität untersucht werden. Im Verlauf der oxidativen Mitogenese mit autologen DC in einer 3D Kollagenmatrix über 56 Stunden wurden humane naive T-Zellen auf Dauer und Dynamik der Zell-Zell-Interaktionen videomikroskopisch sowie die nachfolgende Aktivierung und Proliferation mittels Durchflusszytometrie untersucht. Ergebnisse: Sowohl während der Oxidativen Mitogenese als auch in nicht stimulierten Kontrollkulturen wurden bei naiven T-Zellen fast ausschließlich kurz dauernde, wenige Minuten anhaltende Kontakte zwischen T-Zellen und DC beobachtet. Die mediane Dauer der Kontakte der Kontroll-T-Zellen zu DC war dagegen während aller Beobachtungsintervalle kürzer als die der naiven T-Zellen unter Oxidative Mitogenese-Bedingungen. Es ergaben sich in der Gesamtpopulation der naiven T-Zellen in allen Beobachtungszeiträumen signifikante Unterschiede bezüglich der medianen Interaktionszeiten unter Oxidative Mitogenese-Bedingungen und Kontrollbedingungen Die mediane Interaktionszeit unter Oxidative Mitogenese-Bedingungen lag in allen Beobachtungszeiträumen bei über fünf bis zehn Minuten, unter Kontrollbedingungen jeweils zwischen drei und sechs Minuten (p jeweils < 0,001). Lediglich in der Gruppe der anfangs DC adhärenten T-Zellen nach 24 – 32 Stunden konnten keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Dauer der Kontakte festgestellt werden (p = 0,461). Sowohl die Oxidative Mitogenese - wie auch die Kontrollkulturen zeigten nahezu ausschließlich dynamische und serielle Kontakte zu DC, multizelluläre Aggregate und statische Kontakte traten dagegen nur sehr selten auf. Infolge der Oxidativen Mitogenese, nicht jedoch in Kontrollkulturen, traten 40 %der T-Zellen in den Zellzyklus und durchliefen bis zu sechs Mitosen innerhalb von 96 h. Ausblick: Die Oxidative Mitogenese ist ein suffizientes Modell der vollständigen Aktivierung humaner peripherer naiver T-Lymphozyten in Kokultivierung mit DC. Passend zu in vivo Befunden sowie in vitro Daten muriner TCR-transgener T-Zellen erfolgt die Aktivierung und nachfolgende Proliferation überwiegend durch dynamische und kurzlebige Interaktionen. Die vorliegende Arbeit bestätigt das serielle Kontaktmodell für die Aktivierung naiver humaner T-Zellen. / The activation of humane naive t-cells is a consequence of a contact to antigen presenting cells (APC)that present molecules in the MHC-peptide-complex. Until now we consider a long-lasting contact lastging over several hours to be essential for activation and proliferation of naive t-cells. Beside this concept (single encounter model) with a continuous signaling between both cell types as a condition for activation there is also one more hypothesis regarding contact and duration of t-cell-APC-interactions, the serial encounter model. We assessed the duration and type of interactions between naive humane t-cells and dendritic cells in a three-dimensional collagen matrix under terms of oxidative mitogenesis and recognized activation and also proliferation of naive t-cells after one single or several contacts to dentritic cells lasting only a few minutes to a few hours. Long-lasting contacts we found very rare. Hence activation and proliferation of naive t-cells can result from short and serial interactions to APC as the serial encounter model predicts.

Die Regulation von Effektor-T-Zellen ist ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle organspezifischer Entzündungen. Dabei sind regulatorische T-Zellen (Treg) maßgeblich an der Aufrechterhaltung peripherer Immuntoleranz und parenchymaler Immunhomöostase beteiligt. Eine neue Population von humanen, natürlich vorkommenden Treg Zellen wurde durch ihre konstitutive Expression des immuntolerogenen Moleküls HLA-G identifiziert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Mechanismen, durch die CD4+ HLA-Gpos Treg Zellen ihre Zielzellen (autologe HLA-Gneg T-Zellen) modulieren, aufgeklärt. Unter Verwendung eines Suppressionsansatzes in Abwesenheit von antigenpräsentierenden Zellen (APC) wurden T-T-Zell-Interaktionen, die die Proliferation von HLA-Gneg T-Zellen hemmen, demonstriert. Diese Suppression, die durch die Stimulierung des T-Zell-Rezeptors auf HLA-Gpos Treg Zellen verstärkt wurde, war unabhängig vom Zell-Zell-Kontakt. Die HLA-Gneg T-Zellen erlangten nach Entfernung der HLA-Gpos Treg Zellen und einer erneuten Stimulierung ihrer T-Zell- Rezeptoren ihre Fähigkeit zur Proliferation wieder. Dies wies auf die Umkehrbarkeit dieser Suppression hin. Darüber hinaus war die HLA-Gpos Treg-vermittelte Suppression entscheidend von der IL-10- Sekretion, nicht jedoch von TGF-&#946; abhängig. Zusammengefasst beschreibt dieser Teil der Arbeit eine detaillierte Charakterisierung der Mechanismen, wie HLA-Gpos Treg HLA-Gneg TZellen supprimieren. Das tiefere Verständnis der Wirkmechanismen von HLA-Gpos Treg könnte in therapeutischen Strategien verwendet werden, in denen die regulatorische Funktion der T-Zell-Suppression verstärkt oder moduliert werden soll. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die potenzielle Rolle von HLA-Gpos Treg bei der Multiplen Sklerose (MS) untersucht, einer klassischen Autoimmunerkrankung des Zentralnervensystems (ZNS). Im Gegensatz zu Vergleichspatienten mit nicht-entzündlichen Erkrankungen konnte im Liquor von MS Patienten eine erhöhte Anzahl von HLA-Gpos Treg gefunden werden. Diese aus dem Liquor isolierten HLA-Gpos Treg wiesen phänotypische Merkmale von zentralen Gedächtnis-T-Zellen (CD45RA- CD27+) auf, exprimierten den Aktivierungsmarker ICOS sowie deutlich höhere Level des Chemokinrezeptors (CCR) CCR5 und agierten als starke Suppressoren der autologen CD4+ T-Zellproliferation. Durch Verwendung eines in vitro Modells der humanen Bluthirnschranke konnte demonstriert werden, dass HLA-Gpos Treg eine starke Neigung zur Migration haben, die durch die CCR5- Liganden MIP1&#945; und RANTES, nicht jedoch durch MIP3&#946; (Ligand von CCR7) unterstützt wird. Diese Chemokin-induzierte Migration von HLA-Gpos Treg war auch mit einer Steigerung der suppressiven Kapazität nach Zelltransmigration assoziiert. Im Gegensatz zu CD4+CD25+, FoxP3-exprimierenden Treg zeigten HLA-Gpos Treg von MS-Patienten keine beeinträchtigte Funktionalität. Dies deutet auf eine selektive Rekrutierung von HLA-Gpos Treg zu Entzündungsherden im ZNS und ihre Beteiligung an der Bekämpfung der destruktiven Entzündung hin. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zum weitergehenden Verständnis der Rolle und Funktion HLA-Gpos Treg Zellen bei und stellen somit ein wichtiges pathophysiologisches Beispiel „gutartiger“ T-Zell-Entzündung während der ZNS Autoimmunität dar, das sowohl aus pathophysiologischer als auch therapeutischer Sicht interessant ist. / Regulation of effector T cells is an important mechanism to control organ-specific inflammation. Thereby regulatory T cells (Treg cells) are essential for maintaining peripheral immune tolerance and for establishing parenchyma immune homeostasis. A novel population of natural human Treg characterized by the constitutive expression of the immune-tolerogenic human HLA-G molecule has been identified. In the first part of the study, we elucidated the mechanism(s) by which CD4+ HLA-Gpos Treg modulates their cellular targets namely autologous HLA-G negative responder T cells (HLAGneg Tresp). Using a suppression system free of antigen-presenting cells (APC), we demonstrate a T-T cell interaction resulting in suppression of HLA-Gneg Tresp. We could also show that this suppression was independent of cell-cell contact. Importantly, stimulus of T cell receptor (TCR) on HLA-Gpos Treg facilitated their suppressive capacity. We also observed that removal of HLA-Gpos Treg from the established co-cultures could restore the ability of HLA-Gneg Tresp to proliferate upon TCR re-stimulation, indicating that the suppression was reversible. Further, HLA-Gpos Treg–mediated suppression was critically depending on the secretion of IL-10 but not TGF-&#946;. Taken together, this part of the work provides an in-depth characterization of the mechanisms of how HLA-Gpos Treg suppresses T responder cells in direct T-T interactions. Understanding the suppressive mechanism used by HLA-Gpos Treg may help to develop therapeutic strategies to modulate regulatory arms of T-cell suppression. In the second part of this study, the potential role of HLA-Gpos Treg in the pathophysiological process of Multiple Sclerosis (MS), a prototypic autoimmune inflammatory central nervous system (CNS), has been investigated. We found that HLA-Gpos Treg are enriched in the cerebrospinal fluid (CSF) from MS patients, but not in non-inflammatory controls. CSFderived HLA-Gpos Treg showed predominance of central memory (CD45RA-CD27+) phenotype, exhibited markers of activation (ICOS), and had significantly higher expression of the inflammatory chemokine receptor CCR5. Importantly, these cells demonstrated as potent suppressors to autologous CD4+ T-cell proliferation. Using an in vitro model of human blood brain barrier, we showed that HLA-Gpos Treg have a strong propensity to migrate, which could be facilitated by MIP1&#945; and RANTES (ligands of CCR5) but not MIP3&#946; (a ligand of CCR7). The HLA-Gpos Treg migration triggered by chemokines was also associated with a gain of suppressive capacity upon cellular transmigration. In contrast to CD4+CD25+ naturally occurring FoxP3-expressing Treg, HLA-Gpos Treg from patients with MS did not exhibit impaired function, suggesting that HLA-Gpos Treg are selectively recruited to the sites of CNS inflammation in an effort to combat destructive inflammation during MS. Our results contribute to the understanding of the role and function of HLA-Gpos Treg and provide an important example of “beneficial” T-cell inflammation in CNS autoimmunity- interesting both from a patho/-physiological and a therapeutically point of view.

Durch die im Labor der AG Topp standardisierte Verfahren konnten im Rahmen dieser Arbeit stabile T Zell Linien aus primär humanen CMV spezifischen T Zellen und CMV spezifischen T Zellen mit chimärischen Rezeptoren hergestellt werden. Die Anzahl der chimärischen Rezeptoren auf den unterschiedlichen T Zellinien ist nicht signifikant unterschiedlich und beträgt ca. 17000 Rezeptoren pro Zelle. Bei der Überprüfung des Lyseverhaltens CMV spezifischer T Zellen gegenüber CMV spezifischer T Zellen transduziert mit einem chimärischen Rezeptor zeigt sich das gleiche Lyseverhalten. Um die zeitliche Dynamik dieses Verhaltens besser darzustellen, wurde ein FACS basierter Lysierungsversuch selbstständig entwickelt und etabliert. Somit konnte herausgestellt werden, dass das Lyseverhalten der T Zelllinien sowohl der CMV spezifischen T Zellen als auch das der Erst- und Zweitgeneration- T Zelllinien CAR CD19z und CAR CD19/28z vergleichbar war. Alle genannten Zelllinien lysieren ihre Targetzellen sowohl in der Quantität als auch in der zeitlichen Dynamik vergleichbar. Dies ist die einzige Gemeinsamkeit der verglichenen T Zell Aktivierungssysteme. In allen anderen funktionellen Versuchen ist die Aktivierung der T Zellen über einen chimärischen Rezeptor dem der physiologischen Aktivierung über den T Zell Rezeptor unterlegen. Der Proliferationsversuch mit CFSE zeigt eindeutig, dass nur die T Zellen, die über den TCR aktiviert werden, das Potential haben, sich zu teilen. Die T Zellen, die über den CAR sowohl der ersten als auch der zweiten Generation aktiviert werden, teilen sich nicht. Der Defekt der CAR T Zellen zeigt sich auch in der Hochregulation von CD25, einem Aktivierungsmarker für T Zellen. Die T Zellen, die durch die chimärischen Rezeptoren sowohl der ersten als auch der zweiten Generation aktiviert werden, regulieren CD25 nicht so stark nach oben wie die T Zellen, die physiologisch durch den TCR aktiviert werden. Diese Minderaktivierung spiegelt sich auch in der Zytokinproduktion wieder. Auch hier zeigt sich die unvollständige Aktivierung der CAR T Zellen. In der intrazellulären Zytokinmessung sieht man, dass bei CAR T Zellen der ersten und zweiten Generation zum einen die Einzelzellen weniger IFNy produzieren, zum anderen die Gesamtzahl der Zellen, die Zytokine produzieren, weniger ist als im Vergleich zur TCR Aktivierung. Dieses Phänomen der defizienten Aktivierung und der funktionellen Defekte von CAR T Zellen ist bekannt. Dies konnte noch einmal unter standardisierten und kontrollierten Bedingungen bestätigt werden. Durch die relativ neue Methode der durchflusszytometrischen Bead Technologie konnte dies nun zum ersten Mal realisiert werden. Es zeigte sich, dass ein signifikanter Unterschied zwischen den verschiedenen Aktivierungsmodi der T Zellen besteht. Eine physiologische Aktivierung von T Zellen führt zu einer höheren Maximum-Phosphorylierung als eine Aktivierung über den Erstgeneration CAR. Der signifikante Unterschied zeigt sich bei den MAP Kinasen ERK, JNK und p38. Somit ist dies ein Hinweis, dass die Signaltransduktion auf breiter Ebene aufgrund des alleinigen Vorhandenseins der Zeta Kette bei den CAR CD19z T Zellen, defizient ist und nicht ausreicht für eine volle Aktivierung, die eine volle Funktionalität der T Zelle nach sich ziehen würde. Diese unzureichende Aktivierung soll durch die kostimulatorische Komponente CD28 beim Zweitgenerationrezeptor CAR CD19/28z aufgehoben werden. In der Proliferation, Zytokineproduktion und den Aktivierungsmarkern zeigt sich keine Verbesserung im Vergleich zum Erstgenerationrezeptor bei CMV spezifischen T Zellen. Dieses Ergebnis wird bestätigt und korreliert damit, dass es keinen Unterschied in der maximalen Phosphorylierung von ERK, JNK und p38 zwischen Erstgeneration CAR CD19z und Zweitgeneration CAR CD19/28z gibt. Somit ist dieses System geeignet, um aus dem Phosphorylierungsstatus von MAP Kinasen von CAR T Zellen auf die Funktionalität dieser T Zellen zu schließen. / Activation dependent phosphorylation of MAP kinases in t cells. These t cells were activated through a chimeric antigen recepptor system of the first and second generation. In CMV specific t cells are no differences in the strength of phosphorylation between first and second generation receptors.

CD4+-T-Helferzellen sind in großer Zahl in der entzündeten Synovialmembran bei rheumatoider Arthritis (RA) sowie in Arthritismodellen vorhanden und spielen mit großer Wahrscheinlichkeit eine bedeutende Rolle in der Pathogenese von Arthritiden. Bei der präventiven Behandlung mit drei verschiedenen Anti-CD4 monoklonalen Antikörpern (mAk) im Modell der Adjuvansarthritis der Ratte (AA) wurden abhängig von dem jeweils eingesetzten mAk unterschiedliche klinische Verbesserungen beobachtet. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand deshalb die Suche nach Parallelen zwischen der unterschiedlichen klinischen Effizienz der Anti-CD4 mAk W3/25, OX35 (klinisch effizient) und RIB5/2 (klinisch ineffizient) bei der präventiven Therapie der AA und ihren in vitro Effekten auf TZell-Funktionen als Erklärung für die unterschiedlichen Therapieeffekte. Keine klaren Parallelen zur differentiellen klinischen Effizienz ergaben sich bei den folgenden Untersuchungen: 1.) Bestimmung der Affinitäten der mAk zum CD4-Molekül. 2.) Inhibition der Proliferation in der primären gemischten Lymphozytenkultur (1° MLC) mit CD4+-T-Zellen und CD8+-T-Zellen durch die drei mAk 3.) Beeinflussung der Produktion der Zytokine IL-2, IFNg, IL-10 und IL-4 in verschiedenen experimentellen Ansätzen (sekundäre MLC nach Anwesenheit der mAk in der 1° MLC, Kreuzvernetzung des CD4-Moleküls mittels der mAk nach bzw. vor einer Stimulation von CD4+-T-Zellen über den TZR). 4.) Einfluss der drei Anti-CD4 mAk auf die TZR-vermittelte Apoptose. 5.) Mobilisierung von intrazellulärem Kalzium durch CD4-Kreuzvernetzung mittels der mAk. 6.) Aktivität der Tyrosinkinasen p56lck und p59fyn nach CD4-Kreuzvernetzung mittels der mAk. 7) Phosphorylierung des Shc-Adaptermoleküls durch CD4-Kreuzvernetzung mittels der drei mAk. 8.) Effekte der drei mAk auf die Aktivität der Transkriptionsfaktoren NF-AT und AP-1. Dagegen ergaben sich bei den Untersuchungen zur Produktion von TNFa und zur Aktivität des Transkriptionsfaktors NF-kB eindeutige Parallelen zur differentiellen klinischen Effizienz: 1.) Die Kreuzvernetzung des CD4-Moleküls mittels des mAk RIB5/2 nach bzw. vor einer Stimulation von CD4+-T-Zellen über den TZR induzierte eine signifikant höhere Sekretion von TNFa als mit den mAk W3/25 und OX35. 2.) Die Kreuzvernetzung des CD4-Moleküls mittels des mAk RIB5/2 vor einer Stimulation von CD4+-T-Zellen über den TZR führte zu einer signifikant stärkeren Erhöhung der Aktivität von NF-kB als mit den mAk W3/25 und OX35. Beide differentiellen Effekte könnten daher die Erklärung für die unterschiedliche klinische Effizienz der drei Anti-CD4 mAk darstellen.

We determined in a rat model (1) the presence and dynamics of alloantibodies recognizing MHC complexes on quiescent Brown-Norway (BN) splenic cells in the sera of Lewis (LEW) recipients of Brown-Norway iliolumbar vein grafts under tacrolimus immunosuppression; and (2) the presence of immunoglobulins in the wall of acute rejected vein allografts.

Natürlich vorkommende regulatorische T-Zellen spielen eine entscheidende Rolle für die intestinale Immunhomöostase und Limitierung von (Auto)-Immunität. Sie exprimieren den Transkriptionsfaktor Foxp3 und an der Oberfläche die α-Kette des IL-2 Rezeptors (CD25). Im Tiermodell verhindern regulatorische T-Zellen Autoimmunopathien, Transplantatabstoßungen und entzündliche Darmerkrankungen. Da Foxp3+ regulatorische T-Zellen nur äußerst geringe Mengen an Interleukin-2 synthetisieren, sind sie auf eine adäquate Versorgung angewiesen. Konventionelle T-Zellen werden als bedeutende IL-2 Quelle für Treg-Zellen vermutet, doch über die Mechanismen und räumlich-zeitliche Dynamik der Treg-Effektor-Zellinteraktion ist bisher nur wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden Foxp3+ regulatorische T-Zellen in Mausgeweben analysiert und Zellinteraktionen mit Effektorzellen im Darm charakterisiert. Es wurde ein theoretisches Modell zur Evaluierung von Zell-Zellkontakten erarbeitet und experimentell überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass in der Akutphase einer T-Zell-induzierten Kolitis und im Kolon von gesunden Wildtyp-Mäusen Foxp3+ regulatorische T-Zellen an Ki-67+ proliferierenden T-Zellen akkumulieren. Diese Zellinteraktionen sind abhängig von Interleukin-2, da IL-2 defiziente Mäuse keine signifikanten Treg-Effektor-Zellakkumulationen aufweisen. Die Analyse der Genexpression konnte zeigen, dass Ki-67+ Zellen Interleukin-2 produzieren. Lokal sezerniertes Interleukin-2 könnte als Sensor für Entzündungsprozesse chemotaktisch auf Foxp3+ regulatorische T-Zellen wirken und die Akkumulation an proliferierenden, IL-2 produzierenden Effektorzellen bedingen. Dieser Mechanismus könnte einerseits zur lokalen Versorgung mit IL-2 dienen und gleichzeitig regulierend auf Effektorzellen in unmittelbarer Umgebung wirken. Dieser Prozess würde zur Erhaltung von regulatorischen T-Zellen in der Peripherie und zur Sicherung der intestinalen Immunbalance beitragen.