Die in vitro-Generierung naiver T-Zellen wäre ein wichtiger Fortschritt in der Therapie verschiedenster Erkrankungen mit T-Zelldefizienz (HIV, Immundefekte, Stammzell-transplantierte Patienten). Zur Erreichung dieses Ziels wurden in der vorliegenden Arbeit zwei Teilprojekte bearbeitet: a) die Bestimmung der Frequenz CD34+ Stammzellen in Knochenmark, Nabelschnurblut und Leukapheresat, die über ein bevorzugtes lymphoides Differenzierunspotential verfügen. Desweiteren wurde in diesem Zusammenhang nach zwei Phänotypen spezifischer lymphoider Progenitorpopulationen gesucht: CD34+lin-CD45RAhiCD7+ und CD34+lin- CD10+CD24-. b) die Auswertung von in vitro Zellkulturversuchen, bei denen mit Hilfe einer neuartigen Zellkulturmatrix, eine Generierung naiver T-Zellen aus humanen CD34+ Stammzellen möglich sein soll. Unsere Analysen ergaben, dass die CD34+lin-CD45RAhiCD7+ Progenitorpopulation im Knochenmark und im Leukapheresat zu identifizieren war, im Nabelschnurblut jedoch unter der Nachweisgrenze lag. Ebenso konnte die CD34+lin-CD10+CD24- Progenitorpopulation im Knochenmark, Leukapheresat und Nabelschnurblut gefunden werden, allerdings in deutlich niedrigeren Frequenzen als bislang berichtet. Interessanterweise lag der Anteil Linienmarker-negativer Zellen, d.h. der unreifen Vorläuferzellen, im Knochenmark signifikant höher als im Leukapheresat und Nabelschnurblut. Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, daß ins periphere Blut nur reifere Subpopulationen von Progenitorzellen mobilisiert werden. In den Zellkulturversuchen zeigte sich, daß auch mit Hilfe einer neuartigen 3D- Zellkulturmatrix weder mit humanen Hautfibroblasten noch mit humanen Thymusfragmenten als Stromazellquelle aus CD34+ peripheren Blutstammzellen T-Zellen in vitro generiert werden konnten. Es entstanden vielmehr überwiegend Zellen mit monozytärem Phänotyp, und die CD3+ T- Zellen, die in einigen Versuchen gemessen worden waren, erwiesen sich als Residuen aus dem Thymusgewebe. Diese Ergebnisse stehen somit im Widerspruch zu einer publizierten methodischen Arbeit, die mit murinem Thymusgewebe als Stromazellquelle erfolgreich naive T-Zellen generieren konnte. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass lymphoide Progenitoren in klinischen Routinepräparaten wie Knochenmark oder Leukapheresat in niedriger Frequenz natürlicherweise enthalten sind. Da mit derzeit verfügbaren Kultursystemen die in vitro Generierung reifer T- Zellen schwierig bzw. noch nicht möglich ist, stellt sich die Frage, ob nicht zumindest lymphoide Progenitoren in einem noch weiter zu optimierenden in vitro Zellkultursystem differenziert werden können. Durch Kotransplantation dieser Zellen könnte man die Frequenz der lymphoiden Progenitoren im Blut erhöhen und dadurch die T- Zellregeneration beschleunigen. Dieser Ansatz wird in Nachfolgeexperimenten unserer Arbeitsgruppe weiter verfolgt. / The in vitro generation of naive T cells would be an important progress in the therapy of different illnesses with T cell deficiency (HIV, immunodeficiencies, patients with stem cell transplantations). In order to achieve this goal, two partial projects were processed throughout the present work: a) determination of the frequency CD34+ stem cells in bone marrow, umbilical cord blood, and leukapheresate, which have a preferred lymphoid differentiation potential. Furthermore, in this context, two phenotypes of specific lymphoid progenitor populations were sought after: CD34+lin-CD45RAhiCD7+ and CD34+lin-CD10+CD24-. b) evaluation of in vitro cell culture tests in which a generation of naive T-cells from human CD34+ stem cells is supposed to be possible using a new cell culture matrix. Our analyses revealed that the CD34+lin-CD45RAhiCD7+ progenitor population in the bone marrow and in the leukapheresate could be identified but was under the detection limit in the umbilical cord blood. Likewise, the CD34+lin-CD10+CD24- progenitor population in the bone marrow, the leukapheresate, and the umbilical cord blood could be found, although, in considerably lower frequencies than what has been reported until now. Interestingly, the proportion of lineage marker negative cells, i.e. the immature precursor cells, was significantly higher in the bone marrow than in the leukapheresate and the umbilical blood. One possible explanation for this could be that only more mature subpopulations of progenitor cells are mobilized into the peripheral blood. The cell culture tests demonstrated that, even with the help of a new 3D cell culture mixture, neither human skin fibroblasts nor human thymus fragments as a stromal cell source were able to generate T cells from CD34+ peripheral cells. Rather, predominantly cells with a monocytic phenotype were formed and the CD3+ T cells that had been measured in some tests proved to be residues from the thymus tissue. Thus, these results are contradictory to a published methodical work that successfully generates naive T cells with murine thymus tissue as a stromal cell source. In summary, one can determine that lymphoid progenitors are contained naturally in clinical routine preparations such as bone marrow or leukapheresate in low frequency. As the in vitro generation of mature T cells is difficult / not yet possible using the currently available culture systems, the question arises whether not at least lymphoid progenitors can be differentiated in a still to be optimized in vitro cell culture system. Through co-transplantation of these cells, one could increase the frequency of the lymphoid progenitors in the blood, thus accelerating the T cell regeneration. This approach will be pursued further in follow-up experiments by our work group.

Aspergillus fumigatus is the most common cause for invasive fungal infections, a disease associated with high mortality in immune-compromised patients. CD1d-restricted invariant Natural Killer T (iNKT) cells compose a small subset of T cells known to impact the immune response towards various infectious pathogens. To investigate the role of human iNKT cells during A. fumigatus infection, we studied their activation as determined by CD69 expression and cytokine production in response to distinct fungal morphotypes in the presence of different CD1d⁺ antigen presenting cells using flow cytometry and multiplex ELISA. Among CD1d⁺ subpopulations, CD1d⁺CD1c⁺ mDCs showed the highest potential to activate iNKT cells on a per cell basis. The presence of A. fumigatus decreased this effect of CD1d⁺CD1c⁺ mDCs on iNKT cells and led to reduced secretion of TNF-α, G-CSF and RANTES. Production of other Th1 and Th2 cytokines was not affected by the fungus, suggesting an immune-modulating function for human iNKT cells during A. fumigatus infection. / Aspergillus fumigatus ist der häufigste Erreger von invasiven Pilzinfektionen, welche bei immunsupprimierten Patienten mit einer hohen Mortalität einhergehen. CD1d-abhängige invariante Natürliche Killer T (iNKT) Zellen sind eine kleine Subpopulation von T-Zellen, die die Immunantwort auf verschiedene Erreger beeinflussen. Um die Rolle von humanen iNKT Zellen in der Aspergillus fumigatus Abwehr zu untersuchen, wurde in Ko-Kulturen mit iNKT Zellen und CD1d⁺ Antigen präsentierenden Zellen in Anwesenheit von verschiedenen fungalen Morphotypen der Aktivierungsmarker CD69 und die Zytokinproduktion mittels Durchflusszytometrie und Multiplex ELISA untersucht. Unter den CD1d⁺ Subpopulationen wiesen die CD1d⁺CD1c⁺mDCs das höchste aktivierende Potential auf iNKT Zellen auf. Die Anwesenheit von A. fumigatus reduzierte diesen Effekt von CD1d⁺CD1c⁺mDCs auf iNKT Zellen und führte zu einer reduzierten Sekretion von TNF-α, G-CSF und RANTES. Die Produktion von anderen Th1 und Th2 Zytokinen war nicht durch den Pilz beeinflusst. Diese Arbeit suggeriert eine immunmodulierende Funktion von humanen iNKT Zellen in der Abwehr von A. fumigatus.

Knochengewebe besitzt die einzigartige Fähigkeit sich nach einem Bruch komplett zu regenerieren. Dennoch zeigen 10-15% der Patienten einen gestörten Heilungsverlauf. Das Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle in der Frakturheilung. Im Rahmen der hier präsentierten Doktorarbeit wurde der Einfluss der CD4+ regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Knochenheilung untersucht. In einem Maus-Osteotomie-Modell wurde die zeitliche und räumliche Verteilung ausgewählter Immun- und Knochenzellen im osteotomierten Knochen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Immunzellen im gesamten Heilungsverlauf in der Frakturzone zu finden waren und oft eine direkte Kolokalisation mit den Knochenzellen aufwiesen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die starke Interaktion beider Systeme. Ein adaptiver Transfer muriner Treg vor Setzen der Osteotomie diente als immunmodulatorischer Ansatz zur Verbesserung des Frakturheilungsprozesses. Tiere mit einem unerfahrenen Immunsystem (SPF-Haltung) zeigten eine verbesserte Heilung nach Treg-Transfer. Mäuse mit einem erfahrenen Immunsystem (semi-sterile Haltung) zeigten einen kontroversen Heilungserfolg: eine Hälfte der Mäuse heilte signifikant besser und die andere Hälfte signifikant schlechter. Die Schlechtheiler zeigten eine höhere Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg im Vergleich zu den Gutheilern. In einer darauffolgenden Proof-of-concept-Studie konnte gezeigt werden, dass eine prä-OP definierte Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg mit dem Heilungserfolg nach Osteotomie korrelierte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte ein potentiell positiver Einfluss von CD4+ Treg auf den Frakturheilungsprozess bestätigt werden. Dennoch wurde auch der enorme Einfluss des prä-OP Immunstatus auf den Heilungserfolg deutlich. Für die Klinik ist es also im Rahmen einer Immuntherapie umso wichtiger Patienten-basierte Therapieformen zu entwickeln, bei denen der individuelle Immunstatus eines jeden Patienten vor Anwendung der Therapie berücksichtigt wird. / Bone tissue possesses the remarkable capacity to fully regenerate after injury. However, in 10-15% of patients, unsuccessful bone repair is still a present problem. Components of the adaptive immune system play an indispensable role in bone regeneration. The here presented PhD thesis focused on the interaction of CD4+ regulatory T cells (Treg) during fracture healing. In a murine osteotomy model, the spatiotemporal distribution of immune and bone cells was analyzed within the healing bone. Cells of the immune system were detectable throughout the whole healing cascade in the injured area und showed often a direct co-localization with bone cells. These results highlight the interconnectivity of immune and bone cells during regeneration. By adoptive transfer of murine CD4+ Treg prior to osteotomy, an immunomodulatory approach to improve bone healing was conducted. Mice possessing an unexperienced immune system (SPF housing) showed a consistent improved healing outcome after adoptive Treg transfer. However, mice with a more experienced immune system (semi-sterile housing) receiving an adoptive Treg transfer demonstrated a controversial healing outcome: half of the mice showed a significantly improved and the other half a significantly poorer healing outcome. In the mice with a poorer healing outcome, a higher ratio of CD8+ effector T cells and Treg was observed. In a following proof of concept study, a pre-osteotomy defined ratio of CD8+ effector T cells and Treg could predict the healing outcome after adoptive Treg transfer and osteotomy. A potential positive impact of Treg in bone repair was confirmed in this study. However, the tremendous impact of the environment and thereby of the immune status prior to immunomo-dulation was also clearly demonstrated. Hence, for the clinic, it is even more important to develop and to apply patient based immunomodulatory treatment approaches considering the individual immune status of each patient prior to treatment.

Das Ergebnis einer T-Zellmediierten Immunantwort ist von der Signalvermittlung durch kostimulatorische Moleküle abhängig. Diese kostimulatorischen Moleküle sind - neben dem spezifischen Antigen - notwendig für eine vollständige T-Zellaktivierung, die es der T-Zelle erlaubt zu proliferieren, neue Oberflächenantigene zu exprimieren und Zytokine zu sezernieren. Ohne das kostimulatorische Signal wird die T-Zelle anerg oder sogar apoptotisch, eine effektive Immunantwort ist dann nicht möglich. Die vorliegende Dissertationsschrift enthält die initiale Beschreibung eines neuen kostimulatorischen Moleküls, eine umfangreiche Charakterisierung seiner Expression in vitro, sowie seiner Funktion. Das Molekül "ICOS" (ICOS steht für inducible costimulator) ist ein T-Zellspezifisches Molekül und weist eine große Homologie zu dem Prototyp eines kostimulatorischen Moleküls, dem CD28 Molekül auf. Die Experimente, die zur Charakterisierung der Induktionsbedingungen des ICOS Moleküls durchgeführt wurden, zeigen, daß die Expression des ICOS Moleküls sehr schnell nach T-Zellaktivierung induziert wird, die Expressionsstärke innerhalb von Stunden stark heraufreguliert wird und die Expression lange (mindestens 96h) auf der T-Zelloberfläche zu detektieren ist. Ein Vergleich mit anderen aktivierungsabhängigen T-Zelloberflächenmolekülen zeigt eine ICOS-spezifische Zeitkinetik der Expression, die durch verschiedene T-Zellstimuli zu induzieren ist. Eine optimale Expression des Moleküls ist zwei-signalabhängig und durch Cyclosporin A blockierbar. Bezüglich der Funktion von ICOS wurde die Wirkung der Kostimulation via ICOS auf eine Reihe von kritischen Parametern der T-Zellaktivierung analysiert. Durch die Kostimulation mit einem ICOS-spezifischen Antikörper wird konzentrationsabhängig die T-Zellproliferation induziert, unabhängig davon, ob das ersten Signal via CD3 oder via einen löslichen Stimulus, wie PHA erfolgte. Die ICOS Kostimulation bewirkt die Hochregulation von typischen T-Zellaktivierungsantigenen und sie induziert oder verstärkt die Sekretion zahlreicher Lymphokine. Die verstärkende Wirkung auf alle diese Parameter der T-Zellaktivierung führt schließlich dazu, daß die über ICOS kostimulierten Zellen in der Lage sind T-Zellhilfe für B-Zellen zu leisten, so daß diese Immunglobuline sezernieren. Wurde versucht, die direkte Interaktion des ICOS Moleküls mit seinem potentiellen Liganden bei der T-Zellinduzierten Immunglobulinsekretion durch den mAk F44 zu blockieren, so zeigte sich kein Effekt. Bei Langzeitkostimulation via ICOS zeigte sich allerdings, daß die Kostimulation durch das ICOS Molekül auch in der Lage ist, die T-Zellaktivierung negativ zu beeinflussen: Die Langzeitstimulation via ICOS erzeugt eine deutliche Proliferationsdepression und einen Viabilitätsverlust der T-Zellen. Insgesamt lassen diese Ergebnisse den vorsichtigen Schluß zu, daß das ICOS Molekül eine wichtige Rolle an der Schnittstelle zwischen Expansion und Effektorfunktion einerseits und Depression der T-Zellen andererseits spielt. / The outcome of T-cell resonses after T-cell encounter with specific antigens is modulated by co-stimulatory signals, which are required for both lymphocyte activation and development of adaptive immunity. Here I report the initial characterization of a novel co-stimulatory molecule which enhances all basic T-cell functions and displays a unique induction and expression pattern. ICOS (for inducible co-stimulator) is a T-cellspecific activation antigen with high homology to CD28, the prototype of a co-stimulatory molecule. Analysis of induction requirements for ICOS expression revealed a two-signal dependency and cyclosporine A sensitivity. ICOS' expression kinetics are unique when compared with other early T-cell activation antigens. ICOS is induced very quickly on the T-cell surface and is rapidly upregulated following T-cell activation. The surface expression of ICOS is surprisingly prolonged - lasting at least 96 hours - considering its rapid induction kinetics. Stimulation via an ICOS-specific monoclonal antibody enhances all basic T-cell functions such as proliferation, upregulation of molecules that medicate cell-cell interaction, secretion of lymphokines and effective help for antibody secreting B-cells. Costimulation via ICOS is effective regardless of the route of action of the first signal (immobilized or soluble). Blockade of the ICOS interaction with its presumed ligand on B-cells does not inhibit immunoglobulin production by these B-cells, though. Finally long-term stimulation experiments reveal a possible negative role for ICOS in regulating T-cell responses. These results indicate that ICOS is a major regulator of the adaptive immune system determining the healthy balance of negative and positive signaling during T-cell activation and differentiation.

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

Resting conventional T cells (Tconv) can be distinguished from T regulatory cells (Treg) by the canonical markers FOXP3, CD25 and CD127. However, the expression of these proteins alters after T-cell activation leading to overlap between Tconv and Treg. The objective of this study was to distinguish resting and antigen-responsive T effector (Tconv) and Treg using single-cell technologies. CD4+ Treg and Tconv cells were stimulated with antigen and responsive and non-responsive populations processed for targeted and non-targeted single-cell RNAseq. Machine learning was used to generate a limited set of genes that could distinguish responding and non-responding Treg and Tconv cells and which was used for single-cell multiplex qPCR and to design a flow cytometry panel. Targeted scRNAseq clearly distinguished the four-cell populations. A minimal set of 27 genes was identified by machine learning algorithms to provide discrimination of the four populations at >95% accuracy. In all, 15 of the genes were validated to be differentially expressed by single-cell multiplex qPCR. Discrimination of responding Treg from responding Tconv could be achieved by a flow cytometry strategy that included staining for CD25, CD127, FOXP3, IKZF2, ITGA4, and the novel marker TRIM which was strongly expressed in Tconv and weakly expressed in both responding and non-responding Treg. A minimal set of genes was identified that discriminates responding and non-responding CD4+ Treg and Tconv cells and, which have identified TRIM as a marker to distinguish Treg by flow cytometry.

Die Etablierung von Hochdurchsatz-Technologien zur Durchführung von Genexpressionsmessungen führte in den letzten 20 Jahren zu einer stetig wachsende Menge an verfügbaren Daten. Sie ermöglichen durch Kombination einzelner Experimente neue Vergleichsstudien zu kombinieren oder Experimente aus verschiedenen Studien zu großen Datensätzen zu vereinen. Dieses Vorgehen wird als Meta-Analyse bezeichnet und in dieser Arbeit verwendet, um einen großen Genexpressionsdatensatz aus öffentlich zugänglichen T-Zell Experimenten zu erstellen. T-Zellen sind Immunzellen, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Funktionen des Immunsystems inititiieren und steuern. Sie können in verschiedene Subtypen mit unterschiedlichen Funktionen differenzieren. Der mittels Meta-Analyse erstellte Datensatz beinhaltet nur Experimente zu einem T-Zell-Subtyp, den regulatorischen T-Zellen (Treg) bzw. der beiden Untergruppen, natürliche Treg (nTreg) und induzierte Treg (iTreg) Zellen. Eine bisher unbeantwortete Frage lautet, welche subtyp-spezifischen gen-regulatorische Mechanismen die T-Zell Differenzierung steuern. Dazu werden in dieser Arbeit zwei spezifische Herausforderungen der Treg Forschung behandelt: (i) die Identifikation von Zelloberflächenmarkern zur Unterscheidung und Charakterisierung der Subtypen, sowie (ii) die Rekonstruktion von Treg-Zell-spezifischen gen-regulatorischen Netzwerken (GRN), die die Differenzierungsmechanismen beschreiben. Die implementierte Meta-Analyse kombiniert mehr als 150 Microarray-Experimente aus über 30 Studien in einem Datensatz. Dieser wird benutzt, um mittels Machine Learning Zell-spezifische Oberflächenmarker an Hand ihres Expressionsprofils zu identifizieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Methode wurden 41 Genen extrahiert, von denen sechs Oberflächenmarker sind. Zusätzliche Validierungsexperimente zeigten, dass diese sechs Gene die Experimenten beider T-Zell Subtypen sicher unterscheiden können. Zur Rekonstruktion von GRNs vergleichen wir unter Verwendung des erstellten Datensatzes 11 verschiedene Algorithmen und evaluieren die Ergebnisse mit Informationen aus Interaktionsdatenbanken. Die Evaluierung zeigt, dass die derzeit verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind den Wissensstand Treg-spezifischer, regulatorsicher Mechanismen zu erweitern. Abschließend präsentieren wir eine Datenintegrationstrategie zur Rekonstruktion von GRN am Beispiel von Th2 Zellen. Aus Hochdurchsatzexperimenten wird ein Th2-spezifisches GRN bestehend aus 100 Genen rekonstruiert. Während 89 dieser Gene im Kontext der Th2-Zelldifferenzierung bekannt sind, wurden 11 neue Kandidatengene ohne bisherige Assoziation zur Th2-Differenzierung ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Datenintegration prinzipiell die GRN Rekonstruktion ermöglicht. Mit der Verfügbarkeit von mehr Daten mit besserer Qualität ist zu erwarten, dass Methoden zur Rekonstruktion maßgeblich zum besseren Verstehen der zellulären Differenzierung im Immunsystem und darüber hinaus beitragen können und so letztlich die Ursachenforschung von Dysfunktionen und Krankheiten des Immunsystems ermöglichen werden. / Within the last two decades high-throughput gene expression screening technologies have led to a rapid accumulation of experimental data. The amounts of information available have enabled researchers to contrast and combine multiple experiments by synthesis, one of such approaches is called meta-analysis. In this thesis, we build a large gene expression data set based on publicly available studies for further research on T cell subtype discrimination and the reconstruction of T cell specific gene regulatory events. T cells are immune cells which have the ability to differentiate into subtypes with distinct functions, initiating and contributing to a variety of immune processes. To date, an unsolved problem in understanding the immune system is how T cells obtain a specific subtype differentiation program, which relates to subtype-specific gene regulatory mechanisms. We present an assembled expression data set which describes a specific T cell subset, regulatory T (Treg) cells, which can be further categorized into natural Treg (nTreg) and induced Treg (iTreg) cells. In our analysis we have addressed specific challenges in regulatory T cell research: (i) discriminating between different Treg cell subtypes for characterization and functional analysis, and (ii) reconstructing T cell subtype specific gene regulatory mechanisms which determine the differences in subtype-specific roles for the immune system. Our meta-analysis strategy combines more than one hundred microarray experiments. This data set is applied to a machine learning based strategy of extracting surface protein markers to enable Treg cell subtype discrimination. We identified a set of 41 genes which distinguish between nTregs and iTregs based on gene expression profile only. Evaluation of six of these genes confirmed their discriminative power which indicates that our approach is suitable to extract candidates for robust discrimination between experiment classes. Next, we identify gene regulatory interactions using existing reconstruction algorithms aiming to extend the number of known gene-gene interactions for Treg cells. We applied eleven GRN reconstruction tools based on expression data only and compared their performance. Taken together, our results suggest that the available methods are not yet sufficient to extend the current knowledge by inferring so far unreported Treg specific interactions. Finally, we present an approach of integrating multiple data sets based on different high-throughput technologies to reconstruct a subtype-specific GRN. We constructed a Th2 cell specific gene regulatory network of 100 genes. While 89 of these are known to be related to Th2 cell differentiation, we were able to attribute 11 new candidate genes with a function in Th2 cell differentiation. We show that our approach to data integration does, in principle, allow for the reconstruction of a complex network. Future availability of more and more consistent data may enable the use of the concept of GRN reconstruction to improve understanding causes and mechanisms of cellular differentiation in the immune system and beyond and, ultimately, their dysfunctions and diseases.

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

Bei Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose (MS) kommt es zu einer fehlgesteuerten Immunantwort mit Aktivierung und Persistenz autoreaktiver T-Zellen. Apoptose-regulierende Mechanismen wie das CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- und TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Die lösliche Form des CD95-Rezeptor (sCD95) kann an CD95L binden und so die Apoptose aktivierter T-Zellen verhindern. Die systemische Blockade von TRAIL führt zur Exazerbation von Autoimmunerkrankungen in Tierversuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die Expression, Regulation und Bedeutung sowohl von sCD95 als auch von löslichem TRAIL (sTRAIL) und membranständigem TRAIL bei gesunden Probanden und Patienten mit schubförmig remittierender MS (RRMS) untersucht. Zytokine wurden mit ELISAs, Zelloberflächenproteine sowie Apoptose im Durchflusszytometer gemessen. Die Untersuchungen mit magnetisch gereinigten humanen Leukozytensubpopulationen und Zelllinien zeigten, dass sCD95 lediglich von zelltyp-spezifisch aktivierten humanen T-Zellen, sezerniert wird. TRAIL wurde vor allem von Monozyten, die mit IFN-beta stimuliert waren, sezerniert und auf der Zelloberfläche exprimiert. Zellkulturüberstände, die sTRAIL enthielten, lösten Apoptose in suszeptiblen Tumorzellen aus. TRAIL führte zu einer signifikanten Inhibition der Proliferation und der Produktion von Th1- und Th2-spezifischen Zytokinen bei humanen (auto)antigenspezifischen T-Zellen. Weder für die sCD95- noch für die TRAIL-Expression wurden Unterschiede zwischen RRMS-Patienten und gesunden Probanden nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein komplexes Regulations- und Expressionsmuster von sCD95 und TRAIL, ohne jedoch Anhaltspunkte für Unterschiede zwischen MS-Patienten und Gesunden zu liefern. Es ergaben sich wichtige Hinweise darauf, dass der protektive immunomodulatorische Effekt einer systemischen IFN-beta-Therapie bei MS durch TRAIL vermittelt werden könnte. / Autoimmune disorders such as Multiple Sclerosis (MS) are characterized by an aberrant immune response with activation and persistence of autoreactive T-cells. Apoptosis-regulating mechanism such as the CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- and the TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System may play a major role in this process. The soluble CD95 receptor (sCD95) can bind to CD95L and subsequently inhibit apoptosis of activated T-cells. The systemic blockade of TRAIL leads to the exacerbation of autoimmune disease in animal experiments. In this work I investigated the expression, regulation and significance of sCD95, soluble TRAIL (sTRAIL) and membrane-bound TRAIL in patients with remitting-relapsing MS (RRMS), and in healthy controls. Cytokines were measured by ELISA, membrane bound proteins and apoptosis were measured by flow cytometry. The experiments with magnetically sorted human leucocyte subpopulations and cell lines showed, that only cell-type specific activated human T-cells secrete sCD95. Both forms of TRAIL were expressed by monocytes stimulated with IFN-beta. Cell supernatants containing sTRAIL induced apoptosis in susceptible tumour cells. Furthermore TRAIL inhibited proliferation of (auto)antigen-specific T cells and the production of Th-1 and Th-2 specific cytokines. There were no differences in the expression of sCD95 and TRAIL between RRMS patients and healthy controls. This work shows a complex regulation pattern of sCD95 and TRAIL without being able to detect differences between MS patients and healthy controls. However, results point out that TRAIL could be an important mediator of the immunomodulatory effects of systemic IFN-beta therapy in MS.

No description available.