Würzburg, Univ., Diss., 2004. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2004. / Dateien im PDF-Format

Die saure Sphingomyelinase (Asm) ist ein lysosomales Enzym, das sezerniert werden kann und die Reaktion von Sphingomyelin zu Ceramid und Phosphocholin katalysiert. Seine Funktion ist bedeutsam für die Aufrechterhaltung des zellulären Lipidstoffwechsels und für die Integrität der Plasmamembran. Enzymdefekte sind an der Pathogenese von Infektionen und zahlreichen Stoffwechselerkrankungen wie z.B. der Niemann-Pick-Krankheit, Diabetes mellitus Typ II und auch an der Entstehung psychischer Erkrankungen beteiligt. Immunologisch bedeutsam ist, dass durch Hemmung der Asm mit trizyklischen Antidepressiva (TZA) oder Serotonin-Wiederaufnahme-Inhibitoren (SSRI) die Frequenz CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatorischer T-Zellen (Treg) der Maus erhöht wird. Grund für die Frequenzerhöhung ist jedoch nicht die Erhöhung der absoluten Treg-Zellzahl, sondern das selektive Sterben CD4+ CD25- Foxp3- konventioneller T-Zellen (Tconv). Erstaunlicherweise führt die Behandlung mit dem kompetitiven Asm-Inhibitor ARC39, einem Bisphosphonat, nicht zu diesem Effekt. Es konnte gezeigt werden, dass IL-2 die regulatorischen T-Zellen vor dem durch Asm-Hemmung induziertem Zelltod schützt. In Abwesenheit von IL-2 gehen auch Treg-Zellen durch die Asm-Inhibition zugrunde. Treg-Zellen exprimieren konstitutiv CD25, den IL-2-Rezeptor, dessen α-Kette die Bindungsstelle von Interleukin-2 bildet. Die β- und γ-Kette des Rezeptors sind an der Bindung des Transkriptionsfaktors STAT5 beteiligt, das wiederum die Gentranskription von antiapoptotischen Proteinen wie bcl-2 und bcl-x sowie CD25 fördert. Dahingehend wurde versucht, den verantwortlichen Faktor für den Schutz von Treg-Zellen vor dem Zelltod in der IL-2-Signaltransduktion zu identifizieren. Der Transkriptionsfaktor STAT5 konnte hierbei ausgeschlossen werden. Weder die genetische Überexpression noch die Defizienz von STAT5 hatten Einfluss auf das T-Zell-Gleichgewicht. Die genauen molekularen Mechanismen der Treg-spezifischen IL-2-Protektion bleiben daher ungeklärt. Zu diskutieren sind der Einfluss von Zn2+-Ionen, Januskinasen und Mitgliedern der FoxO-Familie. Die zugrundeliegende Hypothese, dass das spezifische Sterben konventioneller T-Zellen auf einer Erhöhung der lysosomalen Membranpermeabilität (LMP) besteht, woraufhin proapoptotisch wirksame Cathepsine ins Zytosol freigesetzt werden und Caspasen zur Auslösung von Apoptose führen, konnte nicht abschließend bestätigt werden. Jedoch wurde nachgewiesen, dass durch Inhibition von Cathepsinen das Sterben konventioneller T-Zellen in Abwesenheit von IL-2 verlangsamt wird. Eine Protektion der Tconv-Zellen durch Caspase-Inhibitoren kann nur bei hohen 60 Konzentrationen des Inhibitors ZVAD bei gleichzeitig geringer Asm-Inhibitor-Konzentration erreicht werden. In Zusammenschau der Ergebnisse müssen weitere Formen des Zelltods neben der Apoptose, etwa eine durch Asm-Inhibition induzierte Ferroptose, in Erwägung gezogen werden. Neben dem durch Asm-Inhibition erzeugten Lipidstress begünstigt das Vorliegen von hypoxischen Bedingungen die Induktion von Zelltod. Schon das alleinige Auftreten von Hypoxie ohne den Einfluss von Asm-Inhibitoren führt zu einer Treg-Frequenzerhöhung. Der Hypoxie-induzierte Faktor HIF-1α induziert die Expression von Foxp3, wodurch die Differenzierung und Suppressivität von CD4+ CD25+ Foxp3+ Treg-Zellen gefördert wird. Der Einfluss von Hypoxie spielt womöglich vor allem in der Tumortherapie eine entscheidende Rolle. HIF-1α regt hypoxische, nicht-vaskularisierte Tumorareale zur Neovaskularisation an und bremst durch die Frequenzerhöhung regulatorischer T-Zellen die eigene Immunabwehr. Ein Abbau des Transkriptionsfaktors HIF-1α stellt somit eine therapeutische Option in der Therapie solider Tumoren dar. Abschließend lässt sich also festhalten, dass die relative Frequenzerhöhung regulatorischer T-Zellen durch Asm-Inhibition nicht durch Apoptose erklärt werden kann, sondern alternative Erklärungsmodelle wie z.B. die Ferroptose in Betracht gezogen werden müssen. Die Protektion CD25+ regulatorischer T-Zellen beruht auf der Wirkung von IL-2 und wird durch Hypoxie positiv beeinflusst. Eine genaue Identifizierung der für den Zelltod relevanten Mechanismen ist erforderlich, um sichere therapeutische Maßnahmen im Rahmen von Infektionen und Autoimmunkrankheiten zu etablieren. / The acid sphingomyelinase (Asm) is a lysosomal enzyme that can be secreted and catalyses the cleavage of sphingomyelin to ceramide and phosphocholine. Its function is important for the maintenance of cellular lipid metabolism and for the integrity of the plasma membrane. Enzyme defects are involved in the pathogenesis of infections and numerous metabolic diseases such as Niemann-Pick disease, diabetes mellitus type II and also in the development of mental illness. It is of immunological importance that the inhibition of the Asm with tricyclic antidepressants (TCA) or serotonin reuptake inhibitors (SSRI) leads to an increase of the frequency of CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory T cells (Treg) in the mouse. The reason for this frequency increase is not an increase in the absolute Treg cell count, but rather due to the selective death of CD4+ CD25- Foxp3- conventional T cells (Tconv) Surprisingly, treatment with the competitive Asm-inhibitor ARC39, a bisphosphonate, does not lead to this effect. It could be demonstrated that IL-2 protects regulatory T cells from cell death induced by Asm inhibition. In the absence of IL-2, Treg cells also die due to Asm inhibition. Treg cells constitutively express CD25, the IL-2 receptor, whose α-chain forms the binding site of interleukin-2. The β- and γ-chain of the receptor are involved in the binding of the transcription factor STAT5, which itself promotes gene transcription of anti-apoptotic proteins such as bcl-2 and bcl-x as well as CD25. Therefore, we tried to identify the responsible factor responsible for protecting Treg cells from cell death in IL-2 signal transduction. The transcription factor STAT5 was excluded. Neither the genetic over-expression nor the deficiency of STAT5 had any influence on the T-cell balance. The exact molecular mechanisms of Treg specific IL-2 protection remain unexplained. The influence of Zn2+ ions, Janus kinases and FoxO-family members will be discussed. The underlying hypothesis that the specific death of conventional T cells is based on an increase in lysosomal membrane permeability (LMP), whereupon proapoptotic cathepsins are released into the cytosol and caspases lead to the induction of apoptosis could not be conclusively confirmed. However, it has been shown that inhibition of cathepsins slows down the death of conventional T cells in the absence of IL-2. A protection of Tconv cells by caspase inhibitors can only be achieved at high concentrations of the inhibitor ZVAD with simultaneously low Asm inhibitor concentrations. In summary, other forms of cell death besides apoptosis, such as ferroptosis induced by Asm inhibition, need to be considered. 62 Besides lipid stress induced by Asm inhibition, the presence of hypoxic conditions favors the induction of cell death. Even the mere occurrence of hypoxia without the influence of Asm inhibitors leads to an increase in Treg frequency. Hypoxia-induced factor HIF-1α induces Foxp3 expression, promoting differentiation and suppressiveness of CD4+ CD25+ Foxp3+ Treg cells. The influence of hypoxia possibly plays a decisive role especially in tumor therapy. HIF-1α stimulates hypoxic, non-vascularized tumor areas to neovascularize and slows down the own immune defense by increasing the frequency of regulatory T cells. A degradation of the transcription factor HIF-1α is therefore a therapeutic option in the therapy of solid tumors. In conclusion, it can be stated that the relative frequency increase of regulatory T cells by Asm inhibition cannot be explained by apoptosis, but alternative explanation models such as ferroptosis must be considered. The protection of CD25+ regulatory T cells is based on the effect of IL-2 and is positively influenced by hypoxia. A precise identification of the mechanisms relevant for cell death is necessary to establish safe therapeutic measures in the context of infections and autoimmune diseases.

In this thesis, three species were investigated for the conservation of two non-conventional T cell systems, the CD1d/ iNKT cell system and the BTN3/ Vγ9Vδ2 T cell system. Non-conventional T cells are αβ or γδ T cells that do not fit into the classical mode of antigen recognition and adaptive responses. These T cells recognize antigens different from classical peptide antigens and are not restricted to the polymorphic MHC molecules but rather to non-polymorphic antigen-presenting molecules. The iNKT cell subset is restricted by the lipid antigen-presenting molecule CD1d and carries out immunomodulatory functions by rapid cytokine secretion. The molecular basis of this system, the semi-invariant iNKT TCR chains and CD1d were proven to be expressed and compared to homologs in human and rodents. Cotton rats possess multiple members of the AV14 and BV8 family and only one isoform of CD1d which is comparable to findings in the rat. Moreover, the reactivity of primary cells to glycolipid antigens could be shown, and an iNKT cell-like population was detected in primary cells using newly developed cotton rat CD1d oligomers. These were also applied to test the capacity of CD1d to present typical glycolipid antigens to iNKT TCR transductants. In addition, expression of cotton rat iNKT TCR α and β chains in TCR-negative cell lines was used to show successful pairing and detection of glycolipids in the context of CD1d. In summary, the conservation of a functional CD1d/iNKT cell system in the cotton rat could be shown, and tools were developed to study this cell subset in the course of infectious diseases. The Vγ9Vδ2 T cell subset is the major γδ T cell subset in human peripheral blood and has the unique ability to contribute to immune surveillance by detecting pyrophosphorylated metabolites of isoprenoid synthesis that indicate cell stress, transformation or infection. Up to this date, phosphoantigen-reactive γδ T cells have only been shown in primate species. However, evidence for the existence and functional conservation of the genes implied in the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system was found in several placental mammal species, and two candidate species were chosen for further investigation. The nine-banded armadillo, a valuable model for leprosy research, was shown to possess homologous genes to TRGV9, TRDV2 and BTN3. In this study, the expression of productive rearrangements of TRDV2 gene segments could be shown in peripheral blood samples, but no evidence was found for the expression of a functional TRGV9 rearrangement or BTN3 molecules. Moreover, determinants of phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cells and functional BTN3 molecules were found to still be prevalent in armadillo genes. This makes the armadillo an interesting model to study the structural determinants that allow phosphoantigen recognition by a functional Vγ9Vδ2 T cell subset although this species is merely a witness for a functional system in a placental mammal ancestor. In contrast, alpacas were shown to express functional Vγ9Vδ2 T cells which conserved many features of the human counterpart. Expression of Vγ9Vδ2 pairings could be shown by single-cell PCR and functional phosphoantigenreactive pairings were observed. This phosphoantigen reactivity was also shown in PBMC cultures with a newly developed antibody specific for alpaca Vδ2Jδ4 chains. Moreover, a more detailed study of the alpaca TCR repertoire showed similarities to “γδ high” species like camelids and cattle which possess an extended family of TRDV genes. The γ and δ loci of alpaca TCR genes were drafted based on genomic information and cDNA studies and provide an overview for more detailed studies. Conservation of phosphoantigen recognition by the single BTN3 molecule of alpacas was shown in 293T knock out cell lines, and BTN3 detection on PBMCs was investigated with a newly developed alpaca BTN3-specific antibody. These findings prove the existence of a functional BTN3-dependent phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cell subset and provide a basis for the future study of this cell system in a non-primate species. Moreover, as the first non-primate candidate species with the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system the alpaca is an important outgroup for research in this field. The use of a single BTN3 variant in contrast to three human isoforms that work together renders the alpaca a unique and to this date indispensable model for Vγ9Vδ2 T cells. In conclusion, this study provides an overview of the applicability of new animal models in the study of the non-conventional T cell subsets iNKT cells and Vγ9Vδ2 T cells and leads the way for a better understanding of structural and functional relationships. / In dieser Arbeit wurden drei Spezies hinsichtlich ihrer Konservierung von unkonventionellen T-Zellen und ihren Interaktionspartnern, dem CD1d/iNKT-Zellsystem und dem BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem, untersucht. Nicht-konventionelle T-Zellen sind αβ oder γδ T-Zellen, die nicht in das klassische Schema der adaptiven Immunantwort und Peptidantigenerkennung via MHC passen. Diese speziellen T-Zellen erkennen andere Antigene und unterliegen nicht der MHC-Restriktion, sondern interagieren mit meist nicht-polymorphen antigenpräsentierenden Molekülen. iNKT-Zellen erkennen Lipide, die von CD1d präsentiert werden, und führen immunmodulatorische Funktionen durch schnelle Zytokinproduktion aus. Charakteristisch ist die Expression einer semi-invarianten TCR α-Kette mit einer AV14/AJ18-Umlagerung in Mäusen und Ratten und der homologen Umlagerung AV24/AJ18 im Menschen. Diese α-Kette liegt gepaart mit bestimmten β-Ketten vor, die Diversität in der CDR3 Region aufweisen. Die Erforschung von iNKT-Zellen in der Baumwollratte, einem Modellorganismus für Infektionen mit humanen Viren, war bislang durch das Fehlen von genomischen Daten und Methoden eingeschränkt. Daher wurde die Konservierung von iNKT-Zellen und ihrem antigenpräsentierenden Molekül CD1d in der Baumwollratte untersucht. Die Expression der molekularen Bestandteile dieses Systems, die iNKT α-Kette, typische β-Ketten und CD1d, konnte bestätigt werden und mit den homologen Molekülen in Menschen und Nagern verglichen werden. Baumwollratten besitzen, vergleichbar mit Ratten, mehrere Mitglieder der AV14- und BV8-Familie und nur eine CD1d Variante. Zudem konnte die Reaktivität von primären Baumwollrattenzellen gegenüber typischen iNKT-Zell-Antigenen gezeigt werden und iNKT-Zellpopulationen in primären Zellen wurden mithilfe von CD1d-Multimeren gefärbt. Diese wurden auch zum Test der Funktionalität von CD1d herangezogen. Zusätzlich wurden iNKT TCR-Ketten in TCR-negativen Zelllinien exprimiert und so Paarung und Glykolipiderkennung gezeigt. Zusammenfassend konnte die Konservierung des CD1d/iNKT-Zellsystems in der Baumwollratte bewiesen werden Methoden entwickelt werden, die eine Erforschung der Bedeutung von iNKT-Zellen in Virusinfektionen in diesem Modellorganismus ermöglichen. Vγ9Vδ2 T-Zellen sind die Hauptpopulation von γδ T-Zellen im Blut des Menschen und haben die einzigartige Fähigkeit Metabolite des Isoprenoidstoffwechsels zu erkennen und dadurch zur Immunüberwachung beizutragen. Diese Moleküle sind ein Indiz für Zellstress, Transformation oder Infektionen. Bis jetzt wurden funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nur in Vertretern der Primaten gezeigt, die Gene dieses Systems sind allerdings in mehreren höheren Säugetieren konserviert. Zwei Kandidaten für ein funktionelles BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem wurden in dieser Arbeit näher betrachtet. Das Neunbinden-Gürteltier ist ein Modellorganismus der Lepraforschung und die Konservierung von TRGV9, TRDV2 und BTN3 Homologen wurde in dieser Spezies gezeigt. Die Expression von produktiven TRDV2-Umlagerungen konnte im Blut dieser Tiere nachgewiesen werden, es wurde jedoch kein Hinweis auf die Expression von γ-Ketten mit TRGV9 Gensegmenten oder BTN3 Transkripten gefunden. Zusätzlich konnten charakteristische Merkmale von Phosphoantigen-reaktiven menschlichen Vγ9Vδ2 T-Zellen und BTN3 gefunden werden, die immer noch im Gürteltier angelegt sind. Dadurch bietet sich das Neunbinden-Gürteltier als Modell für die Erforschung von strukturellen Faktoren an, die Phosphoantigen-Erkennung durch funktionelle Vγ9Vδ2 T Zellen ermöglichen. Generell ist dieser Modellorganismus aber eher ein Zeuge für ein funktionelles BTN3/VγVδ2 T-Zellsystem in einem gemeinsamen Vorfahren. Im Gegensatz dazu wurden in Alpakas funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nachgewiesen, die viele Charakteristiken menschlicher phosphoantigen-reaktiver Vγ9Vδ2 T-Zellen, z.B. TRGJP Verwendung und CDR3 Längenrestriktion, aufweisen. Die Expression von Vγ9Vδ2 Paarungen im Alpaka konnte durch Einzelzell-PCR gezeigt werden und einige Paarungen waren in der Lage Phosphoantigene zu erkennen. Diese Reaktivität wurde, mithilfe von neu entwickelten Vδ2Jδ4-spezifischen Antikörpern, auch in PBMC Kulturen nachgewiesen. Weiterhin wurden Ähnlichkeiten des Alpakas mit „γδ high“ Spezies, z. B. Kamele und Rinder, durch eine erweiterte Untersuchung des TCR-Repertoires aufgezeigt. Schematische Darstellungen der TCR-γ und -δ Loci wurden basierend auf genomischen Daten und cDNA Analysen angefertigt und ermöglichen eine Übersicht für genauere Untersuchungen. Die Konservierung der Phosphoantigen-Bindung zu Alpaka BTN3 konnte durch Gen Knock-out Zelllinien bestätigt werden und die BTN3 Expression wurde mit neuen Alpaka BTN3-spezifischen Antikörpern untersucht. Diese Ergebnisse beweisen die Existenz einer BTN3-abhängigen Phosphoantigen-reaktiven Vγ9Vδ2 T-Zellpopulation im Alpaka und liefern eine Basis für zukünftige Studien dieses Systems. Weiterhin ist das Alpaka als erste nicht-Primaten Spezies eine wichtige Außengruppe für die Forschung in diesem Feld und ein bis jetzt einzigartiges und unersetzliches Modell für die Verwendung nur einer BTN3 Isoform in einem funktionellen BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem. Abschließend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit eine Übersicht der Eignung von neuen Tiermodellen für die Untersuchung zweier nicht-konventioneller T-Zellpopulationen, der iNKT und Vγ9Vδ2 T-Zellen, geschaffen wurde. Dies ermöglicht weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis von strukturellen und funktionellen Interaktionen.

Die chronische Rhinosinusitis (CRS) ist eine entzündliche Erkrankung der Nase und Nasennebenhöhlen mit einem Bestehen von Symptomen über zwölf Wochen im Jahr. In Europa sind über 10% der erwachsenen Bevölkerung von ihr betroffen und leiden unter einer stark verminderten Lebensqualität. Nach dem Phänotyp lassen sich zwei Formen unterscheiden: die chronische Rhinosinusitis mit Polypen (CRScNP) und ohne Polypen (CRSsNP). Meist wird unter europäischen Probanden bei der CRScNP eine hauptsächlich eosinophile Th2- vermittelte und bei der CRSsNP ein gemischtes Profil aus Th1/Th17/Th2-vermittelter Entzündung beschrieben. Doch dies erfasst nicht die Vielfalt dieser Erkrankung. Erst kürzlich konnten Endotypen, basierend auf der Zytokinsekretion, identifiziert werden, die auf ein multifaktorielles Geschehen schließen lassen. Nachdem im Nasensekret von über 90% der CRS Patienten Pilze nachgewiesen werden konnten erscheint es wichtig, deren Rolle in der Pathogenese der CRS zu ergründen. Besonders interessant sind dabei Aspergillus fumigatus und Candida albicans. Als opportunistische Pilze könnten sie im Rahmen der CRS in der Lage sein bei einigen Endotypen durch eine verstärkte Aktivierung von Immunzellen die lokale Entzündungsreaktion aufrecht zu erhalten. Es wurden lokale und periphere CD4+ und CD8+ T-Zellen von Patienten mit CRScNP, CRSsNP und einer gesunden Kontrollgruppe isoliert. Eine Kultivierung mit den Antigenen von C. albicans und A. fumigatus erfolgte in einer Konzentration von 1 µg/ml über 6 Tage. Im Anschluss daran wurden die Zellen für das Durchflusszytometer angefärbt und ihre Aktivität über die Ki67+ Expression gemessen. In den Überständen der Kultivierung wurde durch das Durchflusszytometer mittels Multiplexassay die produzierten Zytokinkonzentrationen der Zellen bestimmt. In dieser Arbeit konnte eine Stimulierung der lokalen und peripheren T-Zellen durch die beiden Antigene gezeigt werden... / The chronic rhinosinusitis (CRS) is an inflammatory desease with an incidence of over 10 % among the European population. There are two phenotypes – the chronic rhinosinusitis with polyps (CRScNP) and the chronic rhinosinusitis without polyps (CRSsNP). In Europe the CRScNP is usually regarded as a Th2- driven eosinophilic inflammation and the CRSsNP as a mixed Th1/Th17 driven inflammation. In recent years several endotypes (based on their cytokine production) have been identified, which suggest that there are many factors influencing the development of the desease. There can be found fungi In the nasal secret of over 90 % of the patients with CRS – do some of them play a role in the pathophysiology of the desease? In this study peripheral (PBMC) and local (tissue) CD4+ and CD8+ T-cells from patients with CRScNP and CRSsNP as well as from an healthy control group were cultivated with the antigens of Aspergillus fumigatus and Candida albicans. After six days the cells were separated from their supernatant and their activation was analysed by the marker Ki-67 by flow cytometry. Using a Th1,Th2,Th17 assay the concentration of 13 cytokines was measured in the supernatant. This paper shows the positive stimulation of local T-cells by the antigens Candida albicans and Aspergillus fumigatus. The cytokine production couldn’t significantly be raised by C. albicans. After the cultivation with A. fumigatus the production of IL-17a, IL-5 and IL-4 from the CD4+ t-cells of patients with CRScNP was significantly increased. Additionally there were groups of patients who reacted more than others, so there must be suspected, that some subgroups of the phenotype CRScNP show a higher response to A. fumigatus than others. More experiments are needed to explore whether A. fumigatus could act as an superantigen in some subgroups of the CRScNP. With the results of this and further experiments there may be found additional treatments for patients with CRScNP.

Die Inzidenz von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED), insbesondere von Morbus Crohn (MC), nimmt weltweit zu, was auch eine Vielzahl an Kindern betrifft. Obwohl die Krankheit in den letzten Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten war, ist die Pathogenese nicht abschließend geklärt. Diese Arbeit vergleicht T-Zellen gesunder pädiatrischer Probanden mit T-Zellen pädiatrischer CED Patienten mittels Flowcytometrie unter Berücksichtigung von Differenzierungsstadium, Krankheitsaktivität, Therapie und CMV-Status. Die Verteilung der T-Zell-Subpopulationen zeigt keine signifikanten Unterschiede zwischen Patienten und Kontrollen, jedoch zeigen sich für TH1 und TH17 Zellen Unterschiede zwischen MC Patienten und Kontrollen, welche auch mit Krankheitsaktivität und Therapie korrelieren. Der Anteil von CXCR3+ Zellen ist innerhalb der CD4+ Memory-Populationen und innerhalb der CD8+ Memory- und Effektor-Populationen bei MC Patienten – vor allem mit aktiver Erkrankung bzw. ohne Therapie – deutlich geringer als bei Kontrollen. Gleichzeitig zeigt sich der Anteil an CCR6+ Zellen sowie der Anteil an IL 17+CCR6+ Zellen bei MC Patienten in Remission sowie unter Therapie mit TNFα-Blockern höher als bei Kontrollen. Zudem sind die Effektor-Zell-Gleichgewichte bei MC zugunsten von TH17 Zellen verschoben. Somit unterstützt die Arbeit die weitverbreitete Hypothese einer gesteigerten TH17-Antwort bei MC. Auch zeigt sich eine Verminderung der TH1-Zellen im peripheren Blut bei aktiv erkrankten MC Patienten im Vergleich zu Kontrollen, was sich möglicherweise durch eine Abwanderung oder Umwandlung dieser Zellen bei aktivem MC erklären lässt. Desweiteren zeigt sich, dass CED Patienten eine verstärkte Neigung zur vorzeitigen Immunoseneszenz aufzuweisen scheinen, was durch eine latente CMV-Infektion nochmals verstärkt erscheint. Einige CMV-assoziierte Veränderungen der T-Zell-Differenzierung, wie z.B. die CD45RA-Reexpression sowie die TNFα- und IFNγ-Mehrexpression, zeigen sich bei CMV+ CED Patienten zudem ausgeprägter als bei CMV+ Kontrollen. Interessant ist daher, dass CMV+ Probanden und CED Patienten Veränderungen aufweisen, die sich teilweise zu addieren scheinen. / There is a globally increasing incidence of Inflammatory Bowel Disease (IBD), especially of Crohn’s disease, which can also be seen in children. Despite the disease being studied intensively over the recent decades, the pathogenesis is not yet completely understood. This study compares t cells isolated from pediatric IBD patients with those of healthy donors using flow cytometry and taking into account cell differentiation status, disease activity, current therapeutic regime and the donor’s CMV status. T cell subsets show no significant distributional differences between patients and controls. However, TH1 and TH17 cells show differences between patients with Crohn’s disease and controls, which correlate with disease activity and therapy. The proportion of CXCR3+ cells is reduced within CD4+ memory subsets and CD8+ memory and effector subsets, especially in patients with active disease or without therapy. At the same time CCR6+ and IL-17+CCR6+ subsets are increased in patients with Crohn’s disease in remission or under therapy compared to controls. Furthermore, effector cell balances are shifted towards TH17 cells in patients with Crohn’s disease, supporting the widespread hypothesis of an increased TH17 response in Crohn’s disease. Additionally, TH1 cells are diminished in peripheral blood of patients with active Crohn’s disease compared to controls, possibly suggesting a migration of these cells into tissue or a differentiation into other subsets. As an additional finding, IBD patients exhibited an increased tendency for premature immunosenscence, which was even more distinct in patients with latent CMV infection. Some changes in t cell differentiation commonly attributed to CMV infection, like reexpression of CD45RA and increased expression of TNFα and IFNγ, are more pronounced in CMV positive IBD patients, than in CMV positive healthy donors. Interestingly, the combination of IBD with CMV infection partially add up to more pronounces changes in CD4+ t cells and especially in CD8+ t cells.

Zusammenfassend konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Frage nach der Fähigkeit der selektiven Stimulierung mittels des Phosphorantigens HMBPP und den beiden BTN3 Antikörpern bestätigt werden. Es konnte zudem wie erwartet hierbei ein Unterschied zwischen den beiden Kohorten detektiert werden. Dabei zeigte die Kohorte der Normalspender erwartungsgemäß eine stärkere Aktivierungs- sowie Proliferations-fähigkeit. Normalspender ließen sich signifikant besser mit HMBPP aktivieren und bei bestimmter Konzentration signifikant besser proliferieren, bei BTN3A und sc20.1 konnten keine signifikanten Unterschiede ermittelt werden, allerdings anhand der Mittelwerte eine deutlich stärkere Aktivierung und Proliferation aufgezeigt werden. Außerdem konnten interessante interindividuelle Unterschiede detektiert werden, die neue Erkenntnisse brachten. Mit Hilfe der untersuchten Oberflächenmoleküle CD45RA und CD27 und der Einteilung der gammadelta T-Zellen in unterschiedliche Subgruppen konnten so mögliche Erklärungen für die Unterschiede zwischen den Kohorten aufgezeigt werden. Normalspender zeigten signifikant höhere Anteile an naiven gammadelta T-Zellen und nicht signifikant höhere Anteile an central memory T-Zellen, demnach eine deutliche Verschiebung in Richtung nicht differenzierter Subsets, wohingegen die Tumorkohorte signifikant höhere effector memory T-Zellen aufwiesen und somit eine deutliche Verschiebung in Richtung differenzierter Subsets. Dadurch kann erklärt werden, weshalb Normalspender besser aktiviert werden und besser proliferieren können. Auch die Einteilung in unterschiedliche Profile 1-6 anhand CD28, CD27 und CD16 lieferte Gründe für den Unterschied zwischen den Kohorten, wobei Normalspender der Gruppe 1 und 2, Tumorpatienten der Gruppe 3 und 4 angehörten. Durch Ermittlung weiterer signifikanter Änderungen einiger exprimierter Oberflächenmoleküle CD39, CD161 und PD1 wurde mit Hilfe der vorliegenden Arbeit bekräftigt, dass einige Faktoren betrachtet werden müssen, die die Proliferation und Aktivierung der gammadelta T-Zellen positiv und negativ beeinflussen können. Es konnte jedoch auch erneut verdeutlicht werden, wie komplex und weitgreifend der Aktivierungsmechanismus, die damit verbundene Expansion und die Auslösung der einzelnen Effektorfunktionen ist. / In summary, the present thesis confirmed the ability of the antigen HMBPP and the two BTN3 antibodies to stimulate selectively. Moreover, as expected, a difference between the two cohorts could be detected. As expected, the cohort of normal donors showed a stronger activation and proliferation ability. Normal donors were significantly better activated with HMBPP and significantly better proliferated at certain concentrations. No significant differences could be determined for BTN3A and sc20.1, but a significantly stronger activation and proliferation could be shown on the basis of the mean values. In addition, interesting interindividual differences could be detected, which provided new insights. With the help of the investigated surface molecules CD45RA and CD27 and the classification of the T cells into different subgroups, possible explanations for the differences between the cohorts could be revealed. Normal donors showed significantly higher proportions of naïve T cells and non-significantly higher proportions of central memory T cells, thus a clear shift towards non-differentiated subsets, whereas the tumor cohort showed significantly higher effector memory T cells and thus a clear shift towards differentiated subsets. This may explain why normal donors are better activated and better able to proliferate. Also, classification into different profiles 1-6 based on CD28, CD27, and CD16 provided reasons for the difference between the cohorts, with normal donors belonging to groups 1 and 2, and tumor patients to groups 3 and 4. By identifying further significant changes in some expressed surface molecules CD39, CD161 and PD1, the present work affirmed the need to consider some factors that may positively and negatively influence T cell proliferation and activation. However, it was also possible to illustrate once again how complex and far-reaching the activation mechanism, the associated expansion and the triggering of the individual effector functions are.

Regulatory T cells (Treg) are critical immune cells to ensure immune homeostasis. Treg do so by establishing tolerance to self-antigens as well as food-derived antigens. Additionally, they fine-tune immune responses to limit the damage caused by inevitable inflammation during the resolution of an ongoing infection or anti-tumor response. Despite countless efforts to gain a detailed understanding of the mechanisms Treg utilize to regulate adaptive immune responses, in vivo evidence is rather limited. We were interested in the cell-cell interactions of Treg and their spatio-temporal dynamics during a viral infection. We sought to address Interleukin-2 (IL-2) competition as a viable mechanism to control anti-viral CD8 T cell responses. We used intra-vital 2-photon imaging to analyze the interactions between Treg and activated T cells during viral infection. Additionally, we performed multiple loss- and gain-of-function experiments, addressing the IL-2 active signaling of CD8, CD4, and regulatory T cells to understand the competitive sensing of IL-2. Finally, we performed single-cell RNA sequencing to understand the cell-intrinsic differences in Treg caused by infection. We found that IL-2 competition by Treg limits the CD8 T cell response and can alter the differentiation of CD8 T cells. Furthermore, we show that Treg do not arrest in proximity to CD8 T cells for prolonged periods and therefore are unlikely to regulate CD8 T cells via contact-dependent mechanisms previously proposed. Our data support an area control model in which Treg scavenge IL-2 while actively migrating through the LN, constantly limiting access to IL-2. Establishing CD4 T cells as the major source of IL-2 during the later phases of infection, we provide direct evidence that Treg compete with CD8 T cells for CD4-derived IL-2. Finally, we show that IL-2 limitation is in correlation with CD25 expression levels and has an impact on the differentiation of CD8 T cells. Altering the differentiation of CD8 T cells to increase effector or memory functions has huge implications in clinical treatments, e.g ’checkpoint immunotherapy’. Especially in scenarios like checkpoint immunotherapy, where an efficient expansion of CD8 T cells is vital to the success of the treatment, it is invaluable to understand the spatio-temporal dynamics of Treg. Not only can the expansion phase be optimized, but also side effects can be better controlled by ensuring the adequate timing of treatments and boosting the anti-inflammatory response after the initial establishment of CD8 T cells. On top of this, the gained understanding of the regulatory mechanism of Treg can help to enhance the efficacy of autoimmune disorder treatments. Overall, this study addressed highly relevant questions in the Treg field and answered aspects of Treg regulation, refining their mode of action and the spatio-temporal dynamics during viral infection, providing evidence for IL-2 competition as a major regulatory mechanism controlling antiviral CD8 T cell responses. / Regulatorische T Zellen (Treg) sind wichtige Immunzellen die der Aufrechterhaltung der Homöostase dienen. Sie induzieren tolerogene Immunantworten gegenüber Antigenen des eigenen Körpers und erlauben uns die Aufnahme von harmlosen ’Fremdantigenen’ aus unserer Nahrung, indem Sie unerwünschte Immunantworten unterdrücken. Zusätzlich ermöglichen Treg eine Feinabstimmung der adaptiven Immunantwort, indem sie die Entzündungsreaktion und die damit einhergehende Gewebeschädigung minimieren, zeitgleich aber die Expansion von Effektorzellen angepasst an das Infektionsgeschehen erlauben. So kann der Erreger schnellstmöglich bekämpft werden, ohne dass die Integrität des Gewebes beeinträchtigt wird und die Gewebefunktion aufrechterhalten werden kann. Viele wissenschaftliche Studien haben sich bereits mit den Regulationsmechanismen von Treg beschäftigt. Es werden heutzutage unzählige Mechanismen beschrieben, die in den meisten Fällen jedoch auf Ergebnissen aus Zellkulturexperimenten beruhen und somit häufig unzureichend belegt sind. Aus diesem Grund wollten wir sowohl das zeitliche als auch räumliche Verhalten von regulatorischen T Zellen im Laufe einer viralen Infektion genauer untersuchen und dabei vor allem Zell-Zell Interaktionen analysieren. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem zuvor beschriebenen Mechanismus der Interleukin-2 (IL-2) Konkurrenz. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass regulatorische T Zellen IL-2, ein wichtiges Zytokin für das Überleben von Effektorzellen, aufnehmen und somit die vorhandene Menge an IL-2 beeinflussen können. Dies geschieht in ständiger Konkurrenz zu Zellen der adaptiven Immunantwort. Wir haben Zell-Zell Interaktionen von Treg mit ihren potenziellen Konkurrenten mithilfe von intravitaler Mikroskopie, im Laufe einer viralen Infektion untersucht. Außerdem haben wir verschiedene ’gain’-und ’loss-of-function’ Experimente durchgeführt, um die IL-2 Konkurrenz zwischen CD8, CD4 und regulatorischen T Zellen besser verstehen zu können. Zusätzlich haben wir das Transkriptom von Treg in zwei verschiedenen Kontexten, Infektion und Homöostase, mittels einer Einzelzellanalyse miteinander verglichen. Wir konnten zeigen, dass Treg dazu in der Lage sind antivirale T Zellantworten allein durch IL-2 Konkurrenz zu modulieren. Hierbei wird nicht nur die Anzahl, sondern auch die Differenzierung von zytotoxischen T Zellen beeinflusst. Dabei haben wir festgestellt, dass Treg während der Immunantwort in Lymphknoten migratorisch aktiv bleiben und keine langen (> 15 min) Zell-Zell Interaktionen mit aktivierten CD8 T Zellen oder dendritischen Zellen eingehen. Dies deutet auf einen primär kontaktunabhängigen Regulationsmechanismus bei der Steuerung von antiviralen T Zellantworten hin. Abschließend konnten wir zeigen, dass CD8 T Zellen während ihrer Expansionsphase stark auf von CD4 T Zellen produziertes IL-2 angewiesen sind. CD4 T Zellen stellen in dieser Phase der Infektion die Hauptquelle von IL-2 dar. So können Treg den Zugang von CD8 T Zellen zu der Hauptquelle von IL-2 räumlich soweit begrenzen, dass dies die Expansion und Differenzierung der CD8 T Zellpopulation nachhaltig beeinflusst. Diese Studie beantwortet relevante Fragen zur Funktionsweise von regulatorischen T Zellen während einer viralen Infektion und zeigt vor allem die räumlichen und zeitlichen Komponenten der Regulation im Detail auf. Diese Studie zeigt, dass IL-2 Konkurrenz einen Hauptregulationsmechanismus von regulatorischen T Zellen darstellen und CD8 T Zellantworten unabhängig regulieren kann. Dies ermöglicht die (Weiter-)Entwicklung und Präzisierung von klinischen Anwendungen und Therapieansätzen zur Bekämpfung von Krebs- und Autoimmunerkrankungen. Besonders für die Expansion von zytotoxischen T Zellen, welche bei der ’Checkpoint’ Immuntherapie zur Behandlung von soliden Tumoren von besonderer Bedeutung ist, ist das Verständnis der Funktionsweise von regulatorischen T Zellen für den Erfolg der Behandlung entscheidend.

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease with still no cure available. The prominent feature of PD is the loss of dopaminergic neurons at the Substantia nigra (SN). Genetic and environmental insults affecting the SNCA gene encoding the alpha-Synuclein (alpha-Syn) protein result into an aberrant form of the protein with higher propensity towards oligomerization becoming part of insoluble inclusions called Lewy Bodies (LB). LB impart cytotoxicity leading to neurodegeneration, activate resident microglia and escape to the periphery where they get captured by dendritic cells and presented to naïve T cells. Proliferating effector T lymphocytes invade the brain releasing proinflammatory cytokines and performing a cytotoxic effect on neurons. In this study, we examine the hypothesis that the expansion of regulatory T cells (Treg) could exert an anti-inflammatory effect that averts neurodegeneration in the AAV1/2-A53T-alpha-Syn mouse model for PD. Mice brains were transfected by a unilateral stereotaxic injection at the SN region with a chimeric Adeno-Associated Viral vector of serotypes 1 and 2 (AAV1/2) carrying the A53T-mutated human SNCA gene encoding the readily aggregating aberrant alpha-Syn (AAV1/2-A53T-alpha-Syn). One week after injection, mice were treated with the CD28 superagonistic antibody (CD28SA), known to significantly expand the Treg population. Mice were then analyzed by behavioral analysis using the Rotarod performance test and the Cylinder test. The impact of CD28SA on the immune system was examined by flow cytometry. The integrity of the nigrostriatal system was assessed by stereological quantification of Tyrosine hydroxylase (TH)-stained dopaminergic neurons in SN and optical density measurements of TH-stained striatum. The mechanism of action of CD28SA was analyzed by treating PD mice alternatively with a Treg adoptive transfer, while CD28SA effect on levels of neurotrophic factors was quantified by ELISA. We observed an expansion of Treg by FACS analyses three days after CD28SA treatment, demonstrating target engagement. CD28SA treatment of AAV1/2-A53T-alpha-Syn mice provided neuroprotection evident through elevated numbers of dopaminergic neurons in the SN and higher optical density of TH-staining in the striatum, in CD28SA-treated mice compared to PBS-treated control mice, and that was reflected in an enhanced performance in behavioral studies. Additionally, brain infiltration of proinflammatory activated T lymphocytes (CD4+CD69+ and CD8+CD69+ cells), that were obvious in PBS-treated AAV1/2-A53T-alpha-Syn control mice, was augmented in PD mice receiving CD28SA. The alternative treatment with Treg adoptive transfer did replicate the beneficial effects of CD28SA indicating that Treg expansion is the main effector mechanism by which it exerts its neuroprotective effect. CD28SA treatment of PD mice led to an increase of GDNF and BDNF in some brain structures that was not observed in untreated mice. We conclude that in the AAV1/2-A53T-alpha-Syn PD mouse model, CD28SA suppresses proinflammation, reverses behavioral deficits and is neuroprotective on SN dopaminergic cells. / Die Parkinson-Krankheit (PD) ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung, für die es noch keine Heilung gibt. Das herausragende Merkmal von PD ist der Verlust von dopaminergen Neuronen an der Substantia nigra (SN). Genetische und umweltbedingte Schäden, die das SNCA-Gen betreffen, das für das alpha-Synuclein (alpha-Syn)-Protein kodiert, führen zu einer abweichenden Form des Proteins mit einer höheren Neigung zur Oligomerisierung, die Teil von unlöslichen Einschlüssen wird, die Lewy Bodies (LB) genannt werden. LB verleihen Zytotoxizität, die zu Neurodegeneration führt, aktivieren residente Mikroglia und entweichen in die Peripherie, wo sie von dendritischen Zellen eingefangen und naiven T-Zellen präsentiert werden. Proliferierende Effektor-T-Lymphozyten dringen in das Gehirn ein, setzen proinflammatorische Zytokine frei und üben eine zytotoxische Wirkung auf Neuronen aus. In dieser Studie untersuchen wir die Hypothese, dass die Expansion regulatorischer T-Zellen (Treg) einen entzündungshemmenden Effekt ausüben könnte, der die Neurodegeneration im AAV1/2-A53T-alpha-Syn-Mausmodell für PD verhindert. Mäusegehirne wurden durch eine unilaterale stereotaktische Injektion in die SN-Region mit einem chimären Adeno-Assoziierten viralen Vektor der Serotypen 1 und 2 (AAV1/2) transfiziert, der das A53T-mutierte humane SNCA-Gen trägt, das für das leicht aggregierende aberrante alpha-Syn (AAV1/ 2-A53T-alpha-Syn). Eine Woche nach der Injektion wurden die Mäuse mit dem superagonistischen CD28-Antikörper (CD28SA) behandelt, von dem bekannt ist, dass er die Treg-Population signifikant vergrößert. Mäuse wurden dann durch Verhaltensanalyse unter Verwendung des Rotarod-Leistungstests und des Zylindertests analysiert. Der Einfluss von CD28SA auf das Immunsystem wurde mittels Durchflusszytometrie untersucht. Die Integrität des nigrostriatalen Systems wurde durch stereologische Quantifizierung von Tyrosinhydroxylase (TH)-gefärbten dopaminergen Neuronen in SN und Messungen der optischen Dichte von TH-gefärbtem Striatum bewertet. Der Wirkungsmechanismus von CD28SA wurde analysiert, indem PD-Mäuse alternativ mit einem adoptiven Treg-Transfer behandelt wurden, während die Wirkung von CD28SA auf die Spiegel neurotropher Faktoren durch ELISA quantifiziert wurde. Wir beobachteten eine Expansion von Treg Zellen durch FACS-Analysen drei Tage nach der CD28SA-Behandlung, was ein biologisches Ansprechen der Treg auf CD28SA. Die CD28SA-Behandlung von AAV1/2-A53T-alpha-Syn-Mäusen lieferte bei CD28SA-behandelten Mäusen im Vergleich zu PBS-behandelten Kontrollmäusen eine Neuroprotektion, die durch eine erhöhte Anzahl von dopaminergen Neuronen im SN und eine höhere optische Dichte der TH-Färbung im Striatum ersichtlich ist. und das spiegelte sich in einer verbesserten Leistung in Verhaltensstudien wider. Darüber hinaus wurde die Hirninfiltration von proinflammatorisch aktivierten T-Lymphozyten (CD4+CD69+- und CD8+CD69+-Zellen), die bei PBS-behandelten AAV1/2-A53T-alpha-Syn-Kontrollmäusen offensichtlich war, bei PD-Mäusen, die CD28SA erhielten, verstärkt. Die alternative Behandlung mit dem adoptiven Treg-Transfer replizierte die vorteilhaften Wirkungen von CD28SA, was darauf hindeutet, dass die Treg-Expansion der Haupteffektormechanismus ist, durch den es seine neuroprotektive Wirkung ausübt. Die CD28SA-Behandlung von PD-Mäusen führte zu einem Anstieg von GDNF und BDNF in einigen Gehirnstrukturen, der bei unbehandelten Mäusen nicht beobachtet wurde. Wir schlussfolgern, dass CD28SA im AAV1/2-A53T-alpha-Syn-PD-Mausmodell die Entzündungshemmung unterdrückt, Verhaltensdefizite umkehrt und auf SN-dopaminergen Zellen neuroprotektiv ist.