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T-cell receptor (TCR) polyclonal mature T cells are surprisingly resistant to oncogenic transformation after retroviral insertion of T-cell oncogenes. In a mouse model, it has been shown that mature T-cell lymphoma/leukemia (MTCLL) is not induced upon transplantation of mature, TCR polyclonal wild-type (WT) T cells, transduced with gammaretroviral vectors encoding potent T-cell oncogenes, into RAG1-deficient recipients. However, further studies demonstrated that quasi-monoclonal T cells treated with the same protocol readily induced MTCLL in the recipient mice. It has been hypothesized that in the TCR polyclonal situation, outgrowth of preleukemic cells and subsequent conversion to overt malignancy is suppressed through regulation of clonal abundances on a per-clone basis due to interactions between TCRs and self-peptide-MHC-complexes (spMHCs), while these mechanisms fail in the quasi-monoclonal situation. To quantitatively study this hypothesis, we applied a mathematical modeling approach. In particular, we developed a novel ordinary differential equation model of T-cell homeostasis, in which T-cell fate depends on spMHC-TCR-interaction-triggered stimulatory signals from antigen-presenting cells (APCs). Based on our mathematical modeling approach, we identified parameter configurations of our model, which consistently explain the observed phenomena. Our results suggest that the preleukemic cells are less competent than healthy competitor cells in acquiring survival stimuli from APCs, but that proliferation of these preleukemic cells is less dependent on survival stimuli from APCs. These predictions now call for experimental validation.

Nierenzellkarzinome (NZKs) gelten als stark immunogene Tumore. Dies ist insbesondere auf die Infiltration durch verschiedene Immunzellpopulationen, wie T-Lymphozyten und Natürliche Killer (NK)-Zellen, sowie das klinische Ansprechen auf immuntherapeutische Strategien zurückzuführen. Bisher existieren jedoch nur sehr wenige Studien zur Rolle von humanen nativen dendritischen Zellen (DCs) in NZK-Geweben und über die Tumor-vermittelte Modulation dieser DCs. DCs nehmen als professionelle Antigen-präsentierende Zellen eine zentrale Schlüsselrolle bei der Induktion und Aufrechterhaltung der angeborenen sowie adaptiven Immunantwort ein. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der Effekt von klarzelligen NZKs auf den Phänotyp sowie die immunmodulatorischen Fähigkeiten von 6-sulfo LacNAc+ (slan)DCs evaluiert. SlanDCs, welche eine große Subpopulation humaner Blut-DCs darstellen, sind neben der Sekretion großer Mengen proinflammatorischer Zytokine dazu befähigt, Tumorzellen direkt zu lysieren. Des Weiteren sind slanDCs in der Lage, die antitumoralen Effekte von NK-Zellen zu fördern und CD4+ T-Helfer-Zellen sowie Tumor-reaktive CD8+ T-Lymphozyten effizient zu stimulieren. Angesichts dieser proinflammatorischen Eigenschaften können slanDCs wesentlich an einer Tumor-gerichteten Immunantwort beteiligt sein. Auf dieser Grundlage erfolgte im Rahmen der vorliegenden Arbeit der immunhistochemische Nachweis von slanDCs in klarzelligen NZK-Geweben. Im Vergleich zu Tumor-freiem Nierengewebe trat in den primären Tumorgeweben eine erhöhte Zahl infiltrierender slanDCs auf. Zudem wurde die Präsenz von slanDCs in Lymphknoten- sowie Fernmetastasen von NZK-Patienten beobachtet. Weiterführende Untersuchungen an frischen klarzelligen NZK-Geweben demonstrierten, dass NZK-infiltrierende slanDCs einen unreifen Phänotyp ausprägen und Interleukin-10 produzieren. Ausgehend von diesen Erkenntnissen erfolgten funktionelle Analysen, bei denen der Einfluss der kommerziell erhältlichen klarzelligen NZK-Linien ACHN und Caki-1 sowie der primären klarzelligen NZK-Linien MZ1257RC und MZ2877RC auf bedeutende immunmodulatorische Fähigkeiten von slanDCs untersucht wurde. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass NZK-Zellen effektiv in der Lage sind, sowohl die slanDC-vermittelte Proliferation von CD4+ und CD8+ T-Lymphozyten, als auch die slanDC-induzierte Differenzierung naïver CD4+ T-Lymphozyten in proinflammatorische T-Helfer 1-Zellen zu inhibieren. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass NZK-Zellen das Potenzial von slanDCs zur Aktivierung von NK-Zellen hemmen. Untersuchungen der zugrunde liegenden Mechanismen zeigten, dass die funktionelle Inhibition von slanDCs durch klarzellige NZK-Zellen über membranständige Moleküle vermittelt wird. Die im Rahmen dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse weisen darauf hin, dass NZKs die Ausreifung sowie wesentliche funktionelle Eigenschaften von DCs inhibieren. Dies deutet auf einen neuen Immunescape-Mechanismus klarzelliger NZKs hin, welcher auf einer Tumorzell-vermittelten Generierung von tolerogenen slanDCs basiert und eine unzureichende Aktivierung der angeborenen sowie adaptiven Tumor-gerichteten Immunantwort zur Folge hat. Diese neuen Erkenntnisse können einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Interaktion von NZKs mit nativen humanen DCs leisten und die Konzeption neuer therapeutischer Strategien ermöglichen, welche auf einer Verstärkung der antitumoralen Eigenschaften von DCs beruhen.

Einleitung: Zu den konventionellen αβ T-Zellen zählen die klassischen CD4+ einfach-positiven T-Helfer (Th) bzw. regulatorischen T-Zellen (Treg) sowie CD8αβ+ einfach-positive zytotoxische T-Zellen. Säugetiere besitzen jedoch noch weitere T-Zell-Subpopulationen, die entweder den T-Zell-Rezeptor αβ (TCRαβ) oder γδ (TCRγδ) exprimieren. Bei Hunden wurde bisher nur die hoch aktivierte CD4+CD8α+ doppelt-positive (dp) T-Zellpopulation des peripheren Blutes detailliert charakterisiert. Über ihre Verteilung in lymphatischem und nicht lymphatischem Gewebe ist jedoch wenig bekannt. Darüber hinaus besitzen Hunde αβ T-Zellen, die weder CD4 noch CD8α (CD4-CD8α- doppelt-negative (dn) T-Zellen) exprimieren, sowie γδ T-Zellen, deren Phänotyp bisher noch nicht untersucht wurde. Ziele der Studie: Ziel dieser Studie war es, einen Überblick über das Vorkommen und den Phänotyp von nichtkonventionellen T-Zellen im peripheren Blut und Geweben des Hundes zu bieten. Zu diesem Zweck wurden CD4+CD8α+ dp, TCRαβ+CD4-CD8α- dn und γδ T-Zellen hinsichtlich der Expression von Oberflächenmarkern, wichtigen Transkriptionsfaktoren und Zytokinen charakterisiert. Tiere, Material und Methoden: Canine T-Zellen Zellen aus dem Blut (Stichprobenumfang: n = 10) sowie aus den Peyerschen Platten (PP; n = 10), dem Dünndarmepithel (IEL; n = 6), den mesenterialen Lymphknoten (mLN; n = 10), tracheobronchialen Lymphknoten (tLN; n = 9), der Lunge (n = 10), Milz (n = 10) und dem Thymus (n = 10) wurden mittels Durchflusszytometrie analysiert. Das Studiendesign erforderte, dass die Gewebeproben von einer anderen Gruppe gesunder Beagle-Hunde (n = 12) entnommen wurden als das periphere Blut. CD4+CD8α+ dp T-Zellen wurden auf ihre Gewebeverteilung, die Expression des T-Zell-Rezeptortyps und die Zusammensetzung des CD8-Dimers (d.h. CD8αα Homodimer vs. CD8αβ Heterodimer) sowie die Expression des Aktivierungsmarkers CD25 untersucht. Um Hinweise auf die potenzielle(n) Funktion(en) von CD4+CD8α+ dp T-Zellen in Geweben zu erhalten, wurde die Expression des Transkriptionsfaktors Forkhead Box P3 (FoxP3) und des zytotoxischen Moleküls Granzym B analysiert. Darüber hinaus wurden Gewebe und Blut auf die Verteilung von TCRαβ+CD4-CD8α- dn und γδ T-Zellen untersucht. Eine umfassende Charakterisierung von TCRαβ+CD4-CD8α- dn und γδ T-Zellen des peripheren Blutes erfolgte durch die Untersuchung der folgenden Marker: CD25 und CD5, FoxP3, GATA-3, T-Box-Transkriptionsfaktor TBX21 (T-bet) und Granzym B. Im Rahmen funktioneller Analysen wurde die Zytokinproduktion (Interferon-γ (IFN-γ) und Interleukin-17A, IL-17A) nach Stimulation der Zellen mit Phorbol-Myristat-Acetat (PMA)/Ionomycin durchgeführt. Normalverteilte Datensätze wurden mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) mit Bonferroni-Post-Hoc-Test (Vergleich mehrerer Gruppen) oder ungepaartem t-Test (zweiseitig; Vergleich zweier Gruppen) analysiert. Bei nichtparametrischen Daten wurde entweder der Kruskal-Wallis H-Test mit Dunn's Post-Test (Ver-gleich mehrerer Gruppen) oder der Mann-Whitney U-Test (zweiseitig; Vergleich zweier Gruppen) angewandt. Ergebnisse: Canine CD4+CD8α+ dp T-Zellen der Gewebe sind hauptsächlich TCRαβ+CD4+CD8αα+CD25+ und akkumulieren in den PP (durchschnittlich 1.6 %). Obwohl CD4+CD8α+ dp T-Zellen der LN CD4 und CD8α nicht gleich stark exprimieren und zahlenmäßig gering (durchschnittlich 0,2 %) sind, sind sie teilweise FoxP3+. Dies weist auf ein regulatorisches Potential dieser Untergruppe hin. Einige CD4+CD8α+ dp T-Zellen der IEL exprimieren TCRγδ und/oder Granzym B, was die Einzigartigkeit der intestinalen intraepithelialen Lymphozyten unterstreicht. TCRαβ+CD4-CD8α- dn T-Zellen machen einen wesentlichen Anteil aller αβ T-Zellen in Blut (Median 14,4 %) und Gewebe (Median 15 % (Lunge) - 7,5% (PP)) aus und besitzen ein bemerkenswert hohes Expressionsniveau an CD25. CD25 wird entweder mit FoxP3 (hinweisend auf einen regulatorischen Phänotyp) oder ohne FoxP3 (hinweisend auf einen Effektorphänotyp) exprimiert. Zusätzlich weisen IFN-γ, GATA-3 oder IL-17A-exprimierende Subpopulationen Eigenschaften von konventio-nellen Typ 1 T-Helferzellen (Th1), Th2 bzw. Th17 auf. Interessanterweise wurden auch FoxP3+GATA-3+-Hybridzellen gefunden. Canine γδ T-Zellen hingegen sind entweder CD8α+ einfach-positiv oder CD4 CD8α- dn. Während TCRγδ+CD8α+ einfach-positive T-Zellen ihren zytotoxischen TCRαβ+CD8αβ+ T-Zell-Pendants ähneln (T-bet+, IFN-γ+, Granzym B+), exprimieren TCRγδ+CD4 CD8α- dn T-Zellen GATA-3 und nur geringe Mengen an T-bet und Granzym B. Schlussfolgerungen: Dies ist die erste Studie, die einen umfassenden Überblick über nichtkonventionelle T-Zell-Populationen des Hundes bietet. Hinsichtlich ihrer Gewebeverteilung, ihrer Anzahl und ihres funktionellen Potentials ist es wahrscheinlich, dass diese Zellen an wichtigen Immunreaktionen sowie an der Pathogenese von Erkrankungen des Hundes beteiligt sind. Hierzu werden weitere Studien erforderlich sein. Es ist anzumerken, dass das klassische Schema der CD4+ und CD8αβ+ einfach-positiven T-Zellen als canine Haupteffektor- bzw. regulatorische T-Zellen neu überdacht werden sollte. :1 Introduction 1 1.1 The innate and adaptive immune system of mammals 1 1.2 Conventional αβ T cells 1 1.2.1 Cytotoxic CD8αβ+ T cells 2 1.2.2 CD4+ T cells 3 1.2.2.1 CD4+ T helper cells 3 1.2.2.2 CD4+ regulatory T cells 4 1.3 Non-conventional T cells 5 1.3.1 CD4+CD8α+ double-positive T cells 5 1.3.2 γδ T cells 7 1.3.3 CD4-CD8α- double-negative αβ T cells 8 1.4 Aims of this study 8 2 Results 10 2.1 1st publication 10 2.2 2nd publication 32 3 Discussion 55 3.1 Canine non-conventional CD4+CD8α+ double-positive T cells are a homogeneous population enriched at mucosal sites 55 3.2 Canine non-conventional CD4-CD8α- double-negative T cells are unique in abundance and phenotype 57 3.3 Concluding remarks 60 4 Summary 61 5 Zusammenfassung 63 6 Literature Cited 65 / Introduction: Conventional αβ T cells comprise the classical CD4+ single-positive (sp) T helper (Th) resp. T regulatory (Treg) and CD8αβ+ sp cytotoxic T cell subsets. However, further T cell subpopulations either expressing T cell receptor αβ (TCRαβ) or γδ (TCRγδ) occur in mammals. In dogs, only the highly activated CD4+CD8α+ double-positive (dp) T cell population of peripheral blood has been characterized in detail. Yet, little is known about its distribution in lymphoid and non-lymphoid tissues. Furthermore, dogs possess αβ T cells neither expressing CD4 nor CD8α (CD4-CD8α- double-negative (dn) T cells) and γδ T cells, whose phenotype was still undefined. Aims of study: The objective of this study was to provide an overview on the occurrence and phenotype of non-conventional T cells in canine peripheral blood and tissues. To this end, CD4+CD8α+ dp, TCRαβ+CD4-CD8α- dn, and γδ T cells were characterized regarding expression of surface markers, key transcription factors, and cytokines. Animals, material and methods: Canine T lymphocytes from peripheral blood (sample size: n = 10), Peyer’s patches (PP; n = 10), epithelium of the small intestine (IEL; n = 6), mesenteric lymph nodes (mLN; n = 10), tracheobronchial lymph nodes (tLN; n = 9), lung (n = 10), spleen (n = 10), and thymus (n = 10) were analyzed by flow cytometry. Due to the study design tissue samples had to be taken from a different group of healthy Beagle dogs (n = 12) than peripheral blood. CD4+CD8α+ dp T cells were studied for their tissue distribution, expression of T cell receptor type and composition of the CD8 dimer (i.e. CD8αα homodimer vs. CD8αβ heterodimer), as well as expression of the activation marker CD25. To define the potential function(s) of CD4+CD8α+ dp T cells in tissues, expression of the transcription factor forkhead box P3 (FoxP3) and the cytotoxic molecule granzyme B were analyzed. Furthermore, tissues and blood were studied for distribution of TCRαβ+CD4-CD8α- dn and γδ T cells. A comprehensive characterization of blood TCRαβ+CD4-CD8α- dn and γδ T cells was made by investigation of the following markers: CD25 and CD5, FoxP3, GATA-3, T-box transcription factor TBX21 (T-bet), and granzyme B. Functional analyses were performed by examination of cytokine production (interferon γ (IFN-γ) and interleukin 17A, IL-17A) following stimulation of cells with phorbol-myristate-acetate (PMA)/ionomycin. Normally distributed data sets were analyzed using One-way analysis of variance (ANOVA) with Bonferroni post hoc test (multiple groups) or unpaired Student’s t-test (two-tailed; two groups). For nonparametric data, either Kruskal-Wallis H test with Dunn’s post-test (multiple groups) or Mann-Whitney U test (two-tailed; two groups) was applied. Results: Canine CD4+CD8α+ dp T cells of tissues can be mainly described as TCRαβ+CD4+CD8αα+CD25+ accumulating in PP (1.6% on average). Although not homogeneous in expression levels of CD4 and CD8α and low in number (0.2% on average), CD4+CD8α+ dp T cells of LN are partly FoxP3+. This indicates regulatory potential of this subset. Some CD4+CD8α+ dp T cells of IEL express TCRγδ and/or granzyme B, underlining the uniqueness of intestinal intraepithelial lymphocytes. TCRαβ+CD4-CD8α- dn T cells make up a substantial portion of all αβ T cells in blood (median 14.4%) and tissues (median 15% (lung) – 7.5% (PP)) with a remarkably high expression level of CD25. CD25 is either co-expressed with FoxP3 (reminiscent of a regulatory phenotype), or without FoxP3 (reminiscent of an effector phenotype). In addition, subsets expressing IFN-γ, GATA-3, or IL-17A suggest properties of conventional type 1 T helper cells (Th1), Th2, and Th17, respectively. Interestingly, FoxP3+GATA-3+ hybrid cells were found, too. Canine γδ T cells, on the other hand, are either CD8α+ sp or CD4-CD8α- dn. While TCRγδ+CD8α+ sp T cells resemble their TCRαβ+CD8αβ+ cytotoxic T cell counterparts (T-bet+, IFN-γ+, granzyme B+), TCRγδ+CD4-CD8α- dn T cells express GATA-3, and only low levels of T-bet and granzyme B. Conclusions: This is the first study providing a comprehensive overview on canine non-conventional T cell subsets. Regarding tissue distribution, abundance and functions resp. functional potential of these T cells, it is conceivable that they play a major role in health and diseases of dogs. Further studies examining this topic will be needed. Of note, the classical scheme of CD4+ sp Th/Treg and CD8αβ+ cytotoxic T cells as main effector/regulatory T cells in dogs should be reconsidered.:1 Introduction 1 1.1 The innate and adaptive immune system of mammals 1 1.2 Conventional αβ T cells 1 1.2.1 Cytotoxic CD8αβ+ T cells 2 1.2.2 CD4+ T cells 3 1.2.2.1 CD4+ T helper cells 3 1.2.2.2 CD4+ regulatory T cells 4 1.3 Non-conventional T cells 5 1.3.1 CD4+CD8α+ double-positive T cells 5 1.3.2 γδ T cells 7 1.3.3 CD4-CD8α- double-negative αβ T cells 8 1.4 Aims of this study 8 2 Results 10 2.1 1st publication 10 2.2 2nd publication 32 3 Discussion 55 3.1 Canine non-conventional CD4+CD8α+ double-positive T cells are a homogeneous population enriched at mucosal sites 55 3.2 Canine non-conventional CD4-CD8α- double-negative T cells are unique in abundance and phenotype 57 3.3 Concluding remarks 60 4 Summary 61 5 Zusammenfassung 63 6 Literature Cited 65

CD8+ T Zellen unterstützen die Beseitigung von Pathogenen und sind somit entscheidend bei der Bekämpfung von Infektionen. Neben der Antigendosis und dem inflammatorischen Zytokinemilieu hat auch die Stimulation durch den TZR einen entscheidenden Einfluss auf die CD8+ T Zellantwort. Das transkriptionelle Programm, die finale Größe und Dauer der klonalen Expansion und der Start der Kontraktionsphase werden durch die TZR-Signalstärke bestimmt. Schwache TZR-Stimulation führt zu einer verminderten Expansion und vermittelt eine frühzeitige Kontraktionsphase, die eine Entwicklung von Gedächtniszellen auf den Kosten der Effektorzellen favorisiert. IRF4 wird nach TZR-Ligand-Interaktion in CD8+ T-Zellen hoch reguliert. Seine Expressionskinetik ist stark von der TZR-Signalstärke der Aktivierung abhängig, übersetzt diese und sorgt für die Umsetzung in ein entsprechendes transkriptionelles und differentielles Programm. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die IRF4-Defizienz in CD8+ T-Zellen zu einem verfrühten Abbruch der Expansion und zu einem vorzeitigen Beginn der Kontraktion führt, die durch den FAS-vermittelten Tod-induzierenden Signalweg initiiert wird. Außerdem präsentieren IRF4-defiziente CD8+ T-Zellen vermehrt Phosphatidylserine an ihrer Oberfläche und Komplementdeposition, beides begünstigt die Erkennung und Aufnahme durch Phagozyten. Diese Ergebnisse weisen zudem stark darauf hin, dass durch die fehlende Expression von IRF4 in CD8+ T Zellen, ein schwaches TZR-Signal übermittelt wird, unabhängig von der tatsächlichen Stärke und Dauer des aktivierenden Signals, dass zu einer Verkürzung der Expansionsphase führt und eine verfrühte Kontraktionsphase der Effektorzellen auslöst. Diese Arbeit erweitert schon bekanntes Wissen um IRF4 als Schlüsselregulator für die Differenzierung und Funktionalität der ag-spezifischen CD8+ T-Zellen, da es den Beginn der Kontraktionsphase diktiert mittels Aktivierung von verschiedenen Apoptose- und Phagocytose Signalwegen. / CD8+ T cells promote pathogen clearance and play a crucial role in controlling infections. Besides antigen dose and inflammatory cytokine milieu, the TCR stimulation contributes to the programming of the CD8+ T cell response. A distinct developmental program, the final magnitude and duration of clonal expansion, as well as the timing of the onset of T cell contraction, are determined by the TCR signaling strength. Weak TCR stimulation results in a diminished magnitude of expansion and accelerates the onset of contraction, as it favors the development of memory cells at the expense of effector cells. IRF4 is a transcription factor, that is upregulated in CD8+ T cells following TCR stimulation. Furthermore, its expression kinetic is highly dependent on the TCR signaling strength, which initiated activation. Therefore, it translates the strength of the activating signal and transmits it into a proper transcriptional and developmental program. This study provides unique evidence that the absence of IRF4 expression in CD8+ T cells leads to a hasted termination of clonal expansion and a premature contraction, initiated by the FAS-mediated cell death pathway. Moreover, IRF4-deficient CD8+ T cells exposed phosphatidylserine on their cell surface and showed complement deposition, both facilitating their recognition and uptake by phagocytes. The findings of this study additionally strongly indicate that IRF4 deficiency mimics weak TCR engagement and in turn transmits every TCR signal, independent of its actually affinity and duration, into a developmental program, that give rise to an early memory formation and results in a premature onset of effector CD8+ T cell contraction. This data extend previous knowledge of IRF4 being essential for the differentiation and functionality of ag-specific effector CD8+ T cells, as it furthermore dictates the onset of CD8+ T cell contraction via the activation of several death and phagocytosis inducing pathways.

Hintergrund: Die Funktion von Immunzellen hängt von einer konstanten und ausreichenden Energieversorgung ab, die über die OXPHOS in den Mitochondrien und die Glykolyse im Zytosol realisiert wird. Die wichtigsten Substrate dafür sind Sauerstoff und Glukose. Fragestellung: Bei schweren Erkrankungen oder in Entzündungsgebieten ist die zelluläre Energieversorgung stark beeinträchtigt, weil in der Mikroumgebung der Zelle Sauerstoff und Nährstoffe inadäquat bereitgestellt werden. Ziel war herauszufinden, ob und wie humane Immunzellen ihre Lebensfähigkeit und funktionellen Aktivitäten unter solchen Umständen aufrechterhalten. Methoden: Humane CD4+ T-Zellen und CD14+ Monozyten wurden durch MACS aus peripherem Blut gesunder Spender isoliert. Die Sauerstoffverbrauchsmessung mittels Clark-Elektrode war Maß der oxidativen Energiebildung, die mit Myxothiazol und Glukoseentzug gehemmt wurde. Die CD3/CD28-stimulierte T-Zell-Proliferation wurde durchflußzytometrisch mittels CFDA SE analysiert. Basierend auf dem Paraformaldehyd-Saponin-Prozedere wurde die Zytokinsynthese ebenfalls am FACS bewertet, nachdem die T-Zellen in Anwesenheit von Brefeldin A mit PMA/Ionomycin stimuliert wurden. Mit einem käuflichen Testsystem (FACS-Technik) wurde die monozytäre Phagozytose untersucht. Die HIF-1alpha-Expression wurde nach PMA-Ionomycin-Stimulation von Myxothiazol-behandelten T-Zellen auf mRNA- und Proteinebene gemessen. Ergebnisse: Bei Glukoseanwesenheit waren alle untersuchten Immunfunktionen trotz vollständig gehemmter OXPHOS unbeeinträchtigt. Erst bei gleichzeitigem Glukoseentzug, der per sé Proliferation und Phagozytose signifikant beeinträchtigte, waren sie signifikant vermindert. Es wird vermutet, daß T-Zellen die Energieverluste mit einem überschießenden Effekt ihres Sauerstoffverbrauchs und stark angetriebener Glykolyse kompensieren. HIF-1alpha ist dabei nicht entscheidend für die Umschaltung auf anaerobe Energiesynthese. Schlußfolgerung: Die Daten quantifizieren die Energieanforderungen der funktionellen Aktivität in hochgereinigten humanen Immunzellfraktionen. Es wurde nachgewiesen, daß sich Immunzellen unerwartet lange an eine massiv beeinträchtigte Energetik adaptieren können und ihre spezifischen Funktionen aufrechterhalten. / Background: The function of immune cells is dependent upon a constant and adequate supply of energy. Energy is formed via OXPHOS in the mitochondria and via cytosolic glycolysis. Oxygen and glucose are the main substrates for energy synthesis. Objective: In severe diseases or in inflamed areas cellular energy supply is significantly impaired due to inadequate supply of cellular microenvironment with oxygen and nutrients. The aim of this study was to answer the question, whether and how human immune cells maintain viability and functional activity under these circumstances. Methods: Human CD4+ T cells and CD14+ monocytes were isolated by MACS from peripheral blood of healthy donors. The extent of oxidative energy formation was determined via measurement of oxygen consumption using a Clark type electrode. Energy production was restricted in glucose-free cell culture medium and by gradually inhibited OXPHOS using myxothiazol. T cell proliferation was flow-cytometrically analysed using CFDA SE after stimulation with CD3 and CD28 antibodies. Cytokine synthesis was assessed by flow-cytometrical immunofluorescence and the paraformaldehyde-saponin procedure after stimulation of T cells with PMA/ionomycin in the presence of brefeldin A. Phagocytosis of monocytes was measured using a commercial test system (FACS technique). HIF-1alpha expression was assessed by semiquantitative PCR and immunoblot after the stimulation of myxothiazol treated T cells with PMA/ionomycin. Results: In glucose-containing medium all investigated immune functions were unaffected even under complete suppression of OXPHOS. Only when OXPHOS and glycolysis were simultaneously and almost completely suppressed a significant decrease was found. Glucose deprivation per se caused both a significantly reduced proliferation and phagocytosis. It is supposed, that T cells are able to compensate for an energy deficit by an excess of oxygen consumption and strongly induced glycolysis. However, HIF-1alpha was found to be not crucial for switching to anaerobic energy synthesis. Conclusion: These data quantify the energy requirement of functional activity in highly purified human immune cell fractions. An unexpectedly high adaptive potential of immune cells to maintain specific functions even under massively impaired energetic conditions could be demonstrated.

Einleitung: Das Probiotikum E. coli Nissle 1917 (EcN) wird seit einigen Jahren erfolgreich in der Behandlung chronisch entzündlicher Darmerkrankungen angewendet, der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist jedoch nur unzureichend geklärt. T-Zellen spielen in der intestinalen Immunhomöostase und der Pathogenese von CED eine zentrale Rolle. Ziel: Den Einfluss von EcN auf humane T-Zellen weitergehend zu charakterisieren. Methoden: CD3-stimulierte periphere und Lamina propria T-Zellen wurden mit verschiedenen Konzentrationen eines E. coli Nissle 1917 konditionierten Mediums (EcN-CM) oder aber hitzeinaktivierten E. coli Nissle 1917 (hi-EcN) kultiviert. Die Expression von zellzyklus- und apoptoseassoziierten Regulationsproteinen sowie DNA-Gehalt, Zellzykluskinetik, Apoptoserate und Zellexpansion wurden durchflusszytometrisch und im Western Blot bestimmt. Die Sekretion von Cytokinen wurde mit dem Cytometric Bead Assay bestimmt. Ergebnisse: EcN-CM, nicht aber hitzeinaktivierte E. coli Nissle 1917 hemmt die Zellzyklusprogression und die Expansion von stimulierten, humanen peripheren T-Zellen. Ursächlich hierfür ist eine verminderte Expression der Cykline A, B1, D2 und E mit einer konsekutiv verminderten Phosphorylierung des Retinoblastomaproteins. Periphere T-Zellen sezernieren unter EcN-CM vermindert IL-2, IFN-gamma und TNF-alpha, während die Sekretion des antiinflammatorischen IL-10 durch EcN-CM heraufreguliert wird. Im Gegensatz zur potenten Beeinflussung des Zellzyklus, wurde die Apoptose von PBT durch E. coli Nissle 1917 nicht moduliert. Während periphere T-Zellen durch EcN-CM in ihrer Zellzyklusprogression und Expansion gehemmt wurden, zeigte sich kein derartiger Effekt auf ortständige Lamina propria T-Lymphozyten. Diskussion: Bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen kommt es zu einer Rekrutierung und Aktivierung von peripheren T-Zellen in die intestinale Mukosa. Durch die differenzielle Beeinflussung des Immunsystems, bei der aktivierte periphere T-Zellen inhibiert, die ortsständigen T-Zellen jedoch in ihrer Funktion nicht gestört werden, könnte E. coli Nissle 1917 dazu beitragen, die mukosale Entzündungsreaktion zu limitieren, während die intestinale Immunhomöostase gewahrt bleibt. Als wirksames Agens kommen kleine, hitzestabile bakterielle Produkte wie Lipopolysaccharide, bakterielle Lipoproteine, CPG-DNA, Lipoteichonsäuren und Peptidoglykane in Frage. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit liefern weitere Hinweise, dass Probiotika einen breiten Einfluss auf das humane Immunsystem haben und decken zugrundeliegende Mechanismen auf. / Introduction: Although probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) has been proven to be efficacious for the treatment of inflammatory bowel diseases, the underlying mechanisms of action still remain elusive. T cells play a major role in the pathogenesis of inflammatory bowel disease. Aims: To analyze the effects of E. coli Nissle 1917 on cell cycling and apoptosis of peripheral blood and lamina propria T cells. Methods: Anti-CD3-stimulated peripheral or lamina propria T cells were treated with E. coli Nissle 1917-conditioned medium (EcN-CM) or heat-inactivated E. coli Nissle 1917. Expression of cell cycle or apoptosis related proteins was determined by immunoblotting, DNA content, cell cycle kinetics, cell expansion and apoptosis were measured by flow cytometry. Cytokine levels in culture supernatants were assessed by cytometrc bead array. Results: EcN-CM but not heat-inactivated EcN inhibits cell cycling and expansion of peripheral T cells. EcN-CM decreases expression of Cyclin A, B1, D2 and E and thus reduces phosphorylation of retinoblastomaprotein in CD3-stimulated peripheral T cells. Further, secretion of proinflammatory cytokines IL-2, IFN-gamma and TNF-alpha is reduced while antiinflammatory IL-10 is increased under treatment with EcN-CM. In contrast to peripheral T cells, expansion and cell cycle progression of lamina propria T cells was not affected by EcN-CM. Apoptosis of was not modulated by EcN-CM. Discussion: The differential reaction of circulating and tissue-bound T cells towards E. coli Nissle 1917 may explain the beneficial effect of EcN in intestinal inflammation. EcN may downregulate the expansion of newly recruited T cells into the mucosa and thus limit intestinal inflammation, while already activated tissue-bound T cells may eliminate deleterious antigens in order to maintain immunological homeostasis. Possible agents, for which immunomodulatory effects are known, include heat-stable bacterial products like lipopolysaccharids, bacterial lipoproteins or bacterial DNA-motifs.

Die Ätiologie chronisch entzündlicher Darmerkrankungen ist bis heute ungeklärt. Sie beinhaltet eine unkontrollierte Aktivierung von immunologischen Effektorzellen durch antigenpräsentierende Zellen, wie zum Beispiel dendritische Zellen und intestinale Epithelzellen, die Antigene der luminalen Flora fehlerkennen und/oder falsch verarbeiten und den daraus resultierenden Gewebsschädigungsmechanismen. Am Interleukin-2 defizienten Mausmodell der Colitis ulcerosa konnten wir zeigen, daß T-Zellen eine zentrale Rolle beim mukosalen Entzündungsprozeß bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen und insbesondere bei Colitis ulcerosa spielen. So kann zum Beispiel im Tiermodell eine Colitis ulcerosa durch Injektion von T-Zellen aus kranken Tieren auf gesunde Kontrolltiere übertragen werden. T-Zellen gehören zu den wichtigsten Produzenten pro-inflammatorischer Zytokine. Das Ausbleiben der Darmentzündung bei keimfrei gehaltenen Interleukin-2 defizienten Mäusen stützt die Hypothese einer Fehlaktivierung von T-Zellen durch luminale Antigene. In weiterführenden Experimenten haben wir den Beweis erbracht, daß primäre mukosale Epithelzellen das Potential zur Antigenpräsentation besitzen. Ihre Funktion besteht jedoch offenbar in der aktiven, reversiblen Hemmung von CD4+ T-Zellantworten. Da sie in unmittelbarem Kontakt mit den luminalen Antigenen stehen, kommt ihnen zumindest im Kolon eine regulatorische, tolerogene Rolle zu. Eine Störung dieses Prozesses trägt möglicherweise zur Ausbildung und Aufrechterhaltung unkontrollierter Entzündung bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen und insbesondere bei Colitis ulcerosa bei. Dendritische Zellen sind die am längsten bekannten und potentesten antigenpräsentierenden Zellen. Wir konnten zeigen, daß bei Patienten in Remission bereits ein Mangel an zirkulierenden unreifen, d.h. potentiell tolerogenen, dendritischen Zellen besteht, der bei akuten Schüben stark zunimmt. Dendritische Zellen von Patienten reagieren auf mikrobielle Modellstimuli im Gegensatz zu dendritischen Zellen von Gesunden mit der Ausbildung eines aktivierten Phänotyps und der Sekretion pro-inflammatorischer Zytokine. Unsere Daten lassen vermuten, daß ihre tolerogene Rolle gestört ist und sie möglicherweise aktiv zum Entzündungsgeschehen durch eine Fehlreaktion auf die kommensale Flora beitragen. Die klinische Relevanz der gestörten T-Zellaktivierung wird durch klinische Daten deutlich. Wir haben gezeigt, daß der T-Zellaktivierungshemmer Tacrolimus zur überbrückenden Therapie refraktärer chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bis zum Wirkeintritt konventioneller Immunmodulatoren, wie zum Beispiel Azathioprin oder 6-Mercaptopurin, zur raschen Induktion einer Remission und auch bei Therapieversagen konventioneller Immunmodulatoren geeignet ist. Weiterhin demonstrierten wir seine Wirksamkeit bei refraktären extraintestinalen Komplikationen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen, wie dem Pyoderma gangrenosum. / The etiology of inflammatory bowel disease is still unknown. Patients with inflammatory bowel disease have an inappropriate T-cell response to antigenic components of their indigenous gut flora and/or food stream. This breakdown in "oral tolerance" is poorly understood. However, this phenomenon likely relates to how antigen presenting cells, such as dendritic cells and epithelial cells, process and present antigen(s) to T-cells. Our data in the interleukin-2 knock out mouse model of ulcerative colitis underscores the central role of T-cells for the inflammatory process in inflammatory bowel disease and particularly ulcerative colitis. Adoptive transfer experiments showed that T-cells from diseases animals can transmit the ulcerative like disease onto healthy controls. T-cells are among the main producers of pro-inflammatory cytokines. The absence of the ulcerative colitis like disease in gnotobiotic interleukin-2 mice supports the hypothesis of an inappropriate T-cell response towards the indigenous flora. In additional studies we were able to show, that intestinal epithelial cells are capable to present antigen. However, their major role is apparently the reversible silencing of activated CD4+ T-cell responses. Their close proximity with luminal antigens suggest a regulatory, tolerogenic role at least in the colon. A disturbance of this process probably contributes to the occurrence and perpetuation of uncontrolled inflammation in inflammatory bowel disease and particularly UC. Dendritic cells are the longest known most potent antigen presenting cells. We have demonstrated that inflammatory bowel disease patients lack circulating, immature, and thereby potentially tolerogenic dendritic cells. Cultured dendritic cells from inflammatory bowel disease patients showed a more vigorous response to microbial surrogate stimuli compared with healthy controls. Our data suggest that the normally tolerogenic role of circulating dendritic cells is impaired in inflammatory bowel disease patients. It appears that they actively contribute to the inflammatory process by a false response to the indigenous flora. The clinical relevance of an uncontrolled T-cell activation is supported by our clinical data. We demonstrated that the T-cell activation inhibitor tacrolimus is suitable for the management of refractory inflammatory bowel disease. Low dose oral tacrolimus was also effective in refractory extraintestinal complications of inflammtory bowel disease such as pyoderma gangrenosum. The concepts and available data of current and evolving biologic therapies are extensively discussed.

Ungefähr 1% der Bevölkerung der westlichen Welt leidet an rheumatoider Arthritis (RA). In einem T-Zellrezeptor transgenen Mausmodell, dem K/BxN Modell, wird die ubiquitär exprimierte Glukose-6-phosphat Isomerase (G6PI) von autoreaktiven T- und B-Zellen erkannt. Diese Mäuse entwickeln spontan eine antikörpervermittelte Arthritis, die viele Gemeinsamkeiten mit der humanen RA aufweist. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Immunisierung mit G6PI eine Arthritis auch in nicht-transgenen Mäuse induzieren kann. Die Immunisierung mit heterologer humaner G6PI führte zur Entwicklung einer peripheren symmetrischen Polyarthritis in über 95% der DBA/1 Mäuse. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Immunreaktion gegen ein systemisches exprimiertes Antigen zur einer organspezifischen Erkrankung in normalen nicht-transgenen Mäusen führt. Die Tiere entwickeln nach 9 Tagen eine Arthritis, die bis Tag 15 ihr Maximum erreicht hat und dann langsam abnimmt. Histologisch ist die Arthritis durch eine frühe Synovitis charakterisiert, gefolgt von massiven Erosionen des Knorpel und Knochens und anschließenden Reparaturprozessen, inklusive Fibrose. Obwohl die Tiere hohe Antikörpertiter entwickeln, kann die Arthritis nicht durch aufgereinigte Antikörper kranker Mäuse transferiert werden. Trotzdem spielen Antikörper eine große Rolle, da FcR-gamma-Kette defiziente Mäuse eine Arthritis mit geringer Inzidenz und mildem Verlauf entwickeln. Die Depletion der CD4 positiven Zellen verhindert die Entwicklung der Arthritis völlig, und eine Depletion während der Erkrankung führt zur schnellen Heilung. Daneben ist für die Entwicklung der Arthritis auch das Komplementsystem und TNF-alpha entscheidend, was durch Depletion von C5 bzw. durch Blockade von TNF-alpha gezeigt wurde. Zusätzlich wurde die Rolle der G6PI bei der Pathogenese der RA im Menschen untersucht. RA-Patienten zeigten keine erhöhte Frequenz von CD4 positiven T-Zellen, die nach Restimulation mit G6PI TNF-alpha oder IFN-gamma produzierten. Außerdem konnten keine erhöhten anti-G6PI Titer in Patienten mit RA oder anderen rheumatischen Erkrankungen detektiert werden. / About 1% of the of the population of the western world suffers from rheumatoid arthritis (RA). In a T-cell receptor transgenic mouse model, the K/BxN model, the ubiquitously expressed glucose-6-phosphate isomerase (G6PI) is recognized by autoreactive T- and B-cells. These mice do develop an antibody dependent arthritis which show a lot of features of human RA. In this study it was examined whether arthritis could be induced in normal non-transgenic mice by immunization with G6PI. Immunization with heterologous human G6PI induces a symmetric polyarthritis in over 95% of DBA/1 mice. Therewith showing for the first time that an immune reaction against an systemic expressed antigen will lead to the development of an organ specific disease in normal non-transgenic mice. The mice develop arthritis 9d after immunization, reach their maximum at d15 and then arthritis slowly resolve. Histologically, the disease is characterized by early synovitis followed by massive cartilage destruction and erosions of the bones and later repair processes including fibrosis. Although antibody titers in the mice are high, transfer of purified anti-G6PI antibodies of sick mice alone do not transfer disease. Anyway, antibodies seem to play a major role since FcR-gamma-chain deficient mice develop disease with a much lower frequency and reduced severity. Depletion of CD4 positive T cells completely prevents disease and depletion during disease leads to an rapid resolution of arthritis. Aside this, complement and TNF-alpha is critical for the development of arthritis, which could shown by depletion of C5 and blockade of TNF-alpha. In addition, the role of G6PI in the pathogenesis of RA in humans was examined. RA patients do not show a higher frequency of CD4 positive T-cells which produce TNF-alpha and IFN-gamma after restimulation with G6PI. Furthermore, no elevated anti-G6PI titers could be detected in RA patients and in patients with other rheumatic diseases.

Das Proteasomsystem ist die Hauptquelle von Peptiden für die MHC Klasse I Antigen-Präsentation. In Vertebraten kann dieses durch die Expression verschiedener Subtypen des 20S Proteasoms moduliert werden. Die häufigsten Subtypen sind konstitutive Proteasomen (c20S) mit den katalytischen Untereinheiten beta1, beta2 und beta5 und Immunoproteasomen (i20S) mit den Immunountereinheiten beta1i, beta2i und beta5i. Die Expression von i20S optimiert in der Regel die MHC Klasse I Antigen-Präsentation, indem die Bildung von Peptiden mit hoher Affinität zu MHC I Molekülen verstärkt wird. Die Bildung von i20S wird momentan durch ein Modell der kooperativen Assemblierung erklärt, das auf der präferentiellen Interaktion zwischen den Immunountereinheiten beruht. In dieser Arbeit wurde die Assemblierung von 20S Proteasomen in beta5i defizienten Mäusen nach Infektion mit Listeria monocytogenes analysiert. In diesem Modell konnte keine präferentielle Interaktion zwischen den Untereinheiten festgestellt werden. Stattdessen zeigen die Ergebnisse, daß die Integration von konstitutiven oder Immunountereinheiten durch direkte Kompetition reguliert wird. Des Weiteren wurde während der Infektion eine beta5i-abhängige Zunahme der zellulären Proteasommenge festgestellt und somit ein neuer Mechanismus zur Regulation des zellulären Proteasomgehaltes entdeckt. Funktionell führt die beta5i-Defizienz zu einer verringerten MHC I Expression auf antigenpräsentierenden Zellen und zu einer verminderten Prozessierung des bakteriellen Antigens LLO296-304. Bei der Analyse der LLO296-304 spezifischen CD8 T Zell Antwort konnte jedoch kein Unterschied zwischen Wildtyp- und beta5i defizienten Mäusen festgestellt werden .Die Kontrolle der Infektion in den beta5i defizienten Mäusen ist jedoch in der Leber verzögert. Dies deutet darauf hin, dass die Erkennung und Elimination infizierter Zellen durch cytotoxische CD8 T Zellen auf Grund der geringeren MHC Klasse I Präsentation bakterieller Antigene behindert wird. / The proteasome-system is the main source of peptides for MHC class I antigen presentation. In vertebrates this system can be modulated by the expression of different subtypes of the 20S proteasome. The most common subtypes are constitutive proteasomes (c20S) with the catalytic subunits beta1, beta2 and beta5 and immunoproteasomes (i20S) with the immunosubunits beta1i, beta2i and beta5i. Expression of i20S generally optimizes MHC class I antigen presentation by increasing the generation of peptides with high affinity to MHC class I molecules. Currently, the formation of i20S is explained by a model of cooperative proteasome assembly, which is based on preferential interactions among the immunosubunits. Here, the assembly of 20S proteasomes was analysed in beta5i deficient mice during an ongoing infection with Listeria monocytogenes. In this model, no preferential interactions among constitutive subunits or immunosubunits could be determined. Instead, the results show that the integration of constitutive subunits or immunosubunits is regulated by direct competition. Further, a beta5i-dependent increase in cellular proteasome quantity was observed following infection. This reveals a novel mechanism for the regulation of cellular proteasome quantity, which is based on the differential expression of beta5i. Functionally, the deficiency in beta5i results in a reduced MHC class I cell surface expression on professional antigen presenting cells and a drastically diminished processing of the bacterial antigen LLO296-304. However, the analyses of LLO296-304 specific CD8 T cells did not reveal differences in the frequencies of these T cells between wild-type and beta5i deficient mice. Still, the control of infection in the liver of beta5i deficient mice was delayed. This phenotype suggests that the recognition and elimination of infected target cells by cytotoxic CD8 T cells is constrained due to the lowered MHC class I presentation of bacterial antigens.