Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-10-05T15:16:05Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Iara Barreto Neves Oliveira - 2017.pdf: 2505199 bytes, checksum: 7432c019307e551f15f5fb4cd61ad45c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-10-05T15:17:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Iara Barreto Neves Oliveira - 2017.pdf: 2505199 bytes, checksum: 7432c019307e551f15f5fb4cd61ad45c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-05T15:17:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Iara Barreto Neves Oliveira - 2017.pdf: 2505199 bytes, checksum: 7432c019307e551f15f5fb4cd61ad45c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-09-29 / Introduction. Multiple Sclerosis (MS) is a Central Nervous System disease, mediated by the Immune System, whose symptoms occur in episodes of relapses. Interferon-beta (IFN-β) is considered a safe treatment for the reduction of relapses, but its mechanisms of action have not yet been clear. Studies have shown involvement of tumor necrosis factor alpha (TNF-α) and of Interleukin-10 (IL-10) in the immunopathogenesis of MS. The role of IL-32, a proinflammatory cytokine has role on several chronic inflammatory diseases, was not elucidated in MS. The effect of IFN-β on these cytokines and disease severity, as measured by the Expanded Disability Status Scale (EDSS), has not yet been established. Objective. The objective of the present study was to evaluate TNF-α, IL-10 and IL-32γ concentrations in the peripheral blood and gene expression of patients with IFN-β. Methods. The sample were patients of the Department of Neurology of the Clinics Hospital of the Federal University, and healthy individuals. Blood collection, blood culture with lipopolysaccharide (LPS), Toll 4 receptor agonist (TLR4), and PAM3Cys, TLR2 agonist, and the quantification of cytokines by real-time polymerase chain reaction were performed. Mann Whitney tests were used for statistical analysis of unpaired data, Wilcoxon for paired samples and Spearman's correlation test, adopting significance level p <0.05. Results. Of the 30 MS patients, 19 were treated with IFN-β and 11, untreated, with a mean age of 40.52 and 42 years, respectively, and female prevalence. TNF-α did not differ between groups but it was less produced after stimulation with Pam3Cys in treated patients compared to controls and untreated patients. IL- 10 concentrations were higher in cultures with LPS in patients treated compared to healthy controls. The mean EDSS of patients treated with IFN-β and untreated did not differ, and the correlation between and TNF-α and IL-10 concentrations produced in blood cultures and EDSS was not significant in the patients. There was a significant correlation between TNF-α concentrations and disease time in untreated patients in non-stimulated cultures and those with TLR2 agonist stimulus. Gene expression of IL-32γ was higher in IFN-β treated patients compared to controls. The gene expression of cytokines correlated positively and significantly in patients and controls and the IL-10 expression was correlated negative e significantly with the disease time in untreated patients. Conclusions. IFN-β reduced patients' response to Pam3Cys. IL-10 was higher in treated patients relative to controls. The correlations were not conclusive about the possible association between these cytokines and the clinic parameters of the disease. IL-32γ was higher in patients treated with IFN-β than in healthy subjects. / Introdução. A Esclerose Múltipla (EM) é uma doença do Sistema Nervoso Central, mediada pelo Sistema Imune,cujos sintomas ocorremem episódios de surtos.OInterferon-beta (IFN-β) é considerado um tratamento seguro para redução dos surtos, masseus mecanismos de ação ainda não foram bemesclarecidos. Estudos mostraram participaçãodo fator de necrose tumoral alfa (TNF-α) e da Interleucina-10 (IL-10) na imunopatogênese da EM. O papel da IL-32, citocina pró-inflamatória atuante emvárias doenças inflamatórias crônicas, não foi elucidado na EM. O efeito do IFN-β nestas citocinas e na gravidade da doença, medida pela Escala do Estado de Incapacidade Expandida (EDSS), ainda não foi estabelecido. Objetivo.O objetivo do presente estudo foi avaliar as concentrações de TNF-α, IL- 10 e IL-32γ no sangue periférico de pacientes com EM tratados com IFN-β e não tratados. Métodos.Foram recrutados portadores da doença, no Serviço de Neurologia do Hospital das Clínicas da Universidade Federal,e indivíduos sadios. Foi feita a coleta de sangue, hemoculturas com lipopolissacarídeo (LPS), agonista do receptor do tipo Toll 4 (TLR4), e PAM3Cys, agonista de TLR2, e a quantificação gênica das citocinas por reação em cadeia da polimerase em tempo real. Foram utilizados os testes Mann Whitney, para análise estatísticados dados não pareados, Wilcoxon para as amostras pareadas e o teste de correlação de Spearman, adotando nível de significância p<0,05. Resultados. Dos 30 pacientes com EM, 19 eram tratados com IFN-β e 11, não tratados, com idade média de 40,52 e 42 anos, anos, respectivamente, e prevalência do sexo feminino. As concentrações de IL-10 foram mais elevadasnas culturas dos pacientes tratados com IFN-β estimuladas com LPS comparado aos controles sadios.TNF-α não diferiu entre os grupos, mas foi menos produzido após estimulação com Pam3Cys nos pacientes tratados comparado aos controles e aos pacientes não tratados. O EDSS médio dos pacientes tratados com IFN-β e dos não tratados não diferiu, e a correlação entre e as concentrações de TNFα e IL-10 produzidas nas hemoculturas e o EDSS não foi significante nos pacientes. Houve correlação significante entre as concentrações de TNF-α e o tempo de doença nos pacientes não tratados nas culturas não estimuladas e naquelas com estímulo de agonista de TLR2. A expressão gênica de IL-32γ foi mais elevada nos pacientes tratados com IFN-β comparado aos controles. As expressões gênicas das citocinas se correlacionaram positiva e significantemente nos pacientes e controles e a expressão de IL-10 se correlacionou negativa e significantemente com o tempo de doença nos pacientes não tratados. Conclusões. O IFN-β reduziu a resposta dos pacientes ao Pam3Cys. IL-10 foi mais elevada nos pacientes tratados em relação aos controles. As correlações não foram conclusivas sobre a possível associação entre essas citocinas e os parâmetros clínicos da doença. IL-32γ foi mais elevada nos pacientes tratados com IFN-β em relação às pessoas sadias.

A desnutrição é uma condição nutricional que ainda constitui um grande problema de saúde publica e acomete grande parte da população mundial. Atualmente, sabe-se que vários aspectos da resposta imunológica podem estar alterados na decorrência da desnutrição, dentre eles alterações funcionais como redução da migração celular, fagocitose, atividade bactericida, bem como alterações na produção de espécies reativas do oxigênio e nitrogênio, além de comprometimento da expressão de importantes receptores de reconhecimento de patógenos e alteração na produção de citocinas pró-inflamatórias, dentre elas o TNF-&#945;. O TNF-&#945; é uma citocina, produzida principalmente por macrófagos, que participa de uma ampla gama de atividades biológicas, incluindo os processos de inflamação, crescimento, diferenciação e apoptose, essa citocina exerce seus efeitos através da ligação a dois receptores distintos, TNFR-I e TNFR-II. A ativação via receptor TNFR-I, no entanto, é responsável pela maioria dos efeitos do TNF-&#945;, e desencadeia uma série de eventos intracelulares que resultam, principalmente, na ativação do fator de transcrição NF&#954;B. Considerando a relevância dessa via de sinalização mediada por TNF-&#945;, avaliamos em um modelo de desnutrição protéica a via de sinalização de ativação do fator de transcrição NF&#954;B mediada pelo TNF-&#945; via TNFR-I. Sendo assim, utilizamos camundongos Balb/c, machos adultos, submetidos à desnutrição protéica, após perda de aproximadamente 20% do peso corpóreo, foram coletadas macrófagos peritoneais e cultivados ou não com TNF-&#945;, o sobrenadante foi utilizado para avaliação da produção de citocinas (IL-1&#945;, IL-1&#946;, IL-6, IL-12, IL-10) e as células utilizadas para avaliação da expressão do TNFR-I, bem como a expressão de proteínas da via de sinalização (TRADD, TRAF, RIP, IKK, IKB&#945;, p IKB&#945;, NF&#954;B e p NF&#954;B). Os resultados obtidos mostraram que os animais desnutridos apresentaram anemia, leucopenia, diminuição da celularidade medular e da cavidade peritoneal. Os resultados demonstraram redução da expressão de TNFR-I, além de diminuição da expressão das porções fosforiladas de IKB&#945; e NF&#954;B, associado a uma diminuição na produção de IL-1&#946; e IL-12. Nesse trabalho compreendemos aspectos relacionados a resposta imune inata e nosso dados permitem inferir que o estado nutricional interfere no estado de ativação de macrófagos e na capacidade de resposta dessas células. / Malnutrition is a nutritional condition that consists in a major public health issue and affects a considerable part of the global population. Currently, It is known that many aspects of the immunological response can be altered due to the malnutrition impairment, among them functional changes, for instance, cell migration reduction, phagocytosis, bactericidal response, as well as changes in the reactive oxygen and nitrogen species production, besides, substantially cell receptors expression impaired, responsible for the recognition of pathogens and changes in the production of proinflammatory cytokines, such as TNF-&#945;. This cytokine is primarily produced by macrophages, and it is associated to a wide range of biological activities, including the inflammation processes, growing, differentiation, and apoptosis. The TNF-&#945; act through the linkage to distinct receptors, TNFR-I and TNFR-II. The TNFR-I receptor activation, however, is responsible for most TNF-&#945; effects, and triggers a series of intracellular events that mainly result in the activation of the NF&#954;B transcription factor. Regarding the relevance of this signaling pathway mediated by the TNF-&#945;, we evaluated through a protein malnutrition model the signaling pathway for the NF&#954;B transcription factor mediated by the TNF-&#945; through TNFR-I. Adult male Balb/c mice, were submitted to a protein malnutrition and after a loss of nearly 20% body weight, peritoneal macrophages were collected and cultivated, or not with TNF-&#945;. The supernatant was collected for cytokine production evaluation (IL-1&#945;, IL-1&#946;, IL-6, IL-12, and IL-10) and the cell for TNFR-I expression evaluation, as well as the proteins of the signaling pathway (TRADD, TRAF, RIP, IKK, IKB&#945;, p IKB&#945;, NF&#954;B, and p NF&#954;B). The compiled results highlights that the malnourished animals present signs of anemia, leukopenia, and decrease of bone marrow cellularity and peritoneal cavity. The results presented reduction of the TNFR-I expression, in addition to the phosphorylated portions of the IKB&#945; and the NF&#954;B expression, associated to a decrease in the production of IL-1&#946; and IL-12. In this essay we perceive the aspects related to the innate immune response, and the outcome data allowed us to conclude that the nutritional status interferes on the macrophages activation and the response capabilities of these cells.

Das kolorektale Karzinom (KRK) zählt zu den immunogenen Tumoren und zeichnet sich durch eine ausgeprägte Infiltration von verschiedenen Immunzell-Populationen aus. Dabei scheinen insbesondere CD8+ T-Lymphozyten und CD4+ T-Helfer-Zellen Typ 1 das Tumorwachstum zu beeinflussen und spielen somit eine zunehmende Rolle als prognostische Marker. Dementsprechend ergaben sich mehrere Hinweise, dass eine hohe Frequenz dieser beiden T-Zell-Populationen in KRK-Geweben mit einer erhöhten Überlebensrate assoziiert ist. Diese neuen Erkenntnisse könnten zukünftig in die Klassifikation des KRKs einfließen und therapeutische Entscheidungen beeinflussen. Im Gegensatz zu Tumor-infiltrierenden T-Zellen ist jedoch über die Frequenz und die Eigenschaften von nativen humanen dendritischen Zellen (DCs) in Kolonkarzinom-Geweben und deren mögliche Rolle in der immunologischen Abwehr von Tumoren nur sehr wenig bekannt. Als professionelle antigenpräsentierende Zellen spielen DCs eine Schlüsselrolle bei der Induktion und Aufrechterhaltung einer Tumor-gerichteten Immunantwort und können dadurch die Tumorentwicklung wesentlich beeinflussen. Daher wurden im Rahmen dieser Dissertation erstmalig Frequenz, Verteilung, Reifestatus und Zytokinexpression von 6-sulfo LacNAc+ (slan) DCs in Kolonkarzinom-Geweben sowie in korrespondierenden tumorfreien Kolon-Geweben untersucht. SlanDCs stellen eine große Subpopulation von humanen Blut-DCs dar, die nach Aktivierung hohe Konzentrationen von verschiedenen proinflammatorischen Zytokinen sezernieren. Darüber hinaus sind sie effizient in der Lage, die antitumoralen Eigenschaften von CD8+ T-Lymphozyten und CD4+ T-Helfer-Zellen sowie von Natürlichen Killer-Zellen zu fördern. Ausgehend von diesen Eigenschaften könnten slanDCs einen Beitrag zur Immunabwehr des Kolonkarzinoms leisten und somit das Tumorwachstum beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst mit Hilfe immunhistochemischer Färbungen der Nachweis von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben erbracht. In diesem Zusammenhang konnte eine höhere Frequenz von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben (Mittelwert: 16,69 slanDCs/mm2, n=38) im Vergleich zu den korrespondierenden tumorfreien Geweben (Mittelwert: 9,25 slanDCs/mm2, n=38) detektiert werden. Des Weiteren wurde eine höhere Dichte von infiltrierenden slanDCs in Kolonkarzinom-Gewebeproben (Mittelwert: 18,85 slanDCs/mm2, n=20) im Vergleich zu plasmazytoiden DCs (Mittelwert: 4,86 pDCs/mm2, n=20), welche eine andere Subpopulation von humanen DCs im Blut repräsentieren, nachgewiesen. Ausgehend von diesen Erkenntnissen erfolgten verschiedene Immunfluoreszenzfärbungen zur Untersuchung des Reifestatus und der Zytokinexpression der Kolonkarzinom-infiltrierenden slanDCs. Dabei konnten in allen zehn untersuchten Tumorgeweben CD83-exprimierende slanDCs detektiert werden (Mittelwert: 46,7 % CD83+ slanDCs), was auf einen reifen Phänotyp dieser DCs hinweist. Zudem erfolgte der Nachweis einer Interleukin (IL)-23-Expression in variabler Ausprägung durch infiltrierende slanDCs in zehn von elf analysierten Kolonkarzinom-Geweben (Mittelwert: 33,8 % IL-23+ slanDCs). Dabei stellte sich heraus, dass slanDCs einen wesentlichen Anteil der IL-23-exprimierenden Zellen in einigen untersuchten Gewebeproben darstellen. Eine Expression von Tumornekrosefaktor durch Kolonkarzinom-infiltrierende slanDCs wurde hingegen nur in einer geringen Frequenz detektiert. Weitere Untersuchungen identifizierten slanDCs als neue zelluläre Komponente der T-Zell-Zone von tertiären lymphoiden Strukturen (TLS) der Tumorumgebung des Kolonkarzinoms. Darüber hinaus wies ein deutlicher Anteil der dort lokalisierten slanDCs einen reifen Phänotyp oder eine Expression von IL-23 auf. Ausgehend von diesen neuen Ergebnissen könnten die infiltrierenden slanDCs an der Modulation einer adaptiven Immunantwort in der T-Zell-Zone Kolonkarzinom-assoziierter TLS beteiligt sein und einen Einfluss auf das Tumorwachstum ausüben. Weiterhin könnte die Expression des proinflammatorischen Zytokins IL-23 durch slanDCs im Tumor-umgebenden Stroma und in den TLS eine Induktion IL-17-produzierender Zellen fördern und damit auf eine Beteiligung der slanDCs an einem entzündungsbedingten Fortschreiten der Tumorerkrankung über die IL-23/IL-17-Achse hindeuten. Insgesamt leisten die gewonnenen Erkenntnisse einen Beitrag zum Verständnis der Rolle von humanen nativen DCs im Kolonkarzinom und könnten die Entwicklung neuer immuntherapeutischer Strategien in der Behandlung dieser Tumorerkrankung fördern. / Colorectal cancer as an immunogenic tumor is characterized by a marked infiltration of different immune cell populations. Especially CD8+ T-lymphocytes and CD4+ T helper cells type 1 seem to influence tumor growth and therefore play an increasing role as prognostic markers. Thus, it has been shown that high densities of these T cell subsets are associated with improved survival of colorectal cancer patients. These new insights could become part of the classification of colorectal cancer and influence therapeutic decisions. Despite these studies, little is known about the frequency and properties of native human dendritic cells (DCs) in colon cancer tissues and their potential role in antitumor immunity. DCs as professional antigen-presenting cells are critical for the induction and maintenance of antitumor immunity and can essentially influence tumor progression. Thus, the frequency, distribution, maturation, and cytokine expression of 6-sulfo LacNAc+ (slan) DCs in colon cancer tissues as well as in corresponding tumor-free colon specimens were investigated. SlanDCs represent a subset of human blood DCs that secrete large amounts of proinflammatory cytokines upon activation. Furthermore slanDCs are able to efficiently activate CD4+ T cells, tumor-reactive CD8 + T cells, and natural killer cells. Due to these functional properties, slanDCs may contribute to antitumor immunity and may influence tumor growth. Within this doctoral thesis the presence of slanDCs in primary colon cancer samples was immunohistochemically verified. In this context, a higher frequency of slanDCs in colon cancer tissues (mean: 16,69 slanDCs/mm2, n=38) in comparison to the corresponding tumor-free specimens (mean: 9,25 slanDCs/mm2, n=38) could be detected. Moreover, higher frequencies of infiltrating slanDCs in colon cancer tissues (mean: 18,85 slanDCs/mm2, n=20) were detectable compared to plasmacytoid DCs (mean: 4,86 pDCs/mm2, n=20), representing another human blood DC-subset. Based on these results, various immunofluorescence stainings were performed to investigate maturation and cytokine expression of the infiltrating slanDCs. SlanDCs expressing the maturation marker CD83 were detected in all 10 analyzed colon cancer tissues (mean: 46,7% CD83+ slanDCs). In addition, IL-23-expressing slanDCs were present at varying percentages in 10 of 11 evaluated colon cancer samples (mean: 33,8% IL-23+ slanDCs). Interestingly, in several tissues slanDCs represented a marked proportion of all IL-23-expressing cells. However, slanDCs expressing tumor necrosis factor could only be detected in low frequencies in the analyzed colon cancer specimens. Further studies revealed that slanDCs are a novel component of the T-cell zone of colon cancer-associated tertiary lymphoid structures (TLS). A proportion of these TLS-associated slanDCs displays a mature phenotype or express IL-23. These novel findings indicate that slanDCs may modulate adaptive immune responses in the T-cell zone of colon cancer-associated TLS and may contribute to the regulation of tumor progression. Furthermore the IL-23-expressing slanDCs in the tumor-surrounding stroma and the TLS may promote the generation of IL-17-producing cells and may participate in inflammation-related cancer progression mediated by the IL-23/IL-17 axis. These novel observations can help to decipher the role of human native DCs in colon cancer and may have implications for the design of therapeutic strategies against this tumor entity.

L’utilisation d’agents anti-TNF a grandement amélioré la prise en charge de certaines maladies inflammatoires chroniques comme la polyarthrite rhumatoïde (PR) ou les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI). Cependant, le quart des patients environ ne vont pas répondre au traitement ou présenteront une perte de réponse secondaire. Des marqueurs prédictifs de réponse sont nécessaires afin limiter les effets secondaires et les coûts inutiles en ciblant les patients qui pourraient être améliorés par les anti-TNF. Ces travaux de recherche se sont dans un premier temps concentrés sur l’importance de l’immunogénicité de ces traitements. Des anticorps anti-médicaments (ADAs) étaient bien associés à un taux bas d’anti-TNF avec des conséquences cliniques en termes de perte de réponse clinique et d’absence de cicatrisation muqueuse dans les MICI. Des seuils cliniques d’interprétation des tests biologiques pour la détection du médicament et de ses anticorps ont pu être définis et correspondent à 4.9 μg/ml pour l’infliximab et 200 ng/ml pour les ADAs. Ces résultats obtenus par ELISA sont bien corrélés avec les tests fonctionnels réalisés en parallèle et confirment l’intérêt de cette technique dans ce dépistage. Les ADAs étaient diminués par traitement immunosuppresseur concomitant. Ensuite, la persistance d’une infection chronique mise en évidence par des anticorps anti-bactériens a été évaluée en tant que marqueur prédictif de réponse aux anti-TNF. Aucun résultat statistiquement significatif n’a pu être relevé sur ces premières données, que ça soit pour les anticorps dirigés contre la flore intestinale pour les MICI ou contre le microbiote oral dans la PR. Seul un taux élevé de MMP-3 à l’initiation de l’infliximab chez les patients PR prédisait d’une bonne réponse clinique selon les critères de l’EULAR par la suite / The use of anti-TNF agents has greatly improved the management of chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis (RA), or chronic inflammatory bowel disease (IBD). However, about a quarter of patients will not respond to treatment or will present a secondary loss of response. Predictive biomarkers of response are needed to reduce side effects and unnecessary costs by targeting patients that could be improved by anti-TNF. This research work was initially focused on the importance of immunogenicity of these treatments. Anti-drug antibodies (ADAs) were well associated with low levels of anti-TNF with clinical consequences in terms of loss of clinical response and absence of mucosal healing in IBD. Clinical thresholds for drug and ADAs have been defined and correspond to 4.9 μg/ml for infliximab and 200 ng/ml for ADAS. These results obtained by ELISA correlate well with functional tests done in parallel, and confirm the value of this technique for screening. The ADAs were decreased with concomitant immunosuppressive therapy. Then, the persistence of chronic infection as evidenced by anti-bacterial antibody was evaluated as a predictive marker for response to anti-TNF. No statistically significant results could be raised on these first data, for antibodies against the intestinal flora in IBD or against the oral microbiota in RA. Only high levels of MMP-3 at the initiation of infliximab in RA patients predicted a good clinical response according to the EULAR criteria

O objetivo desse trabalho foi estudar os mecanismos que alteram a produção de melatonina na glândula pineal durante o processo de caquexia associada ao câncer e o papel de citocinas neste contexto. Os resultados mostraram um aumento da produção de melatonina no grupo inoculado com o Tumor de Walker 256 (GT) junto com uma maior atividade e expressão gênica da enzima AA-NAT, principal enzima reguladora da síntese de melatonina. O estudo in vitro mostrou que a glândula do GT produziu menos melatonina que a glândula do grupo controle (GC) após estimulação com noradrenalina (NOR). Além disso, o TNF-<font face=\"symbol\">a foi capaz de modular a síntese de melatonina em cultura, promovendo um efeito estimulatório 2h após o inicio da estimulação com NOR, e um inibitório 4h após essa estimulação. Dessa forma, os resultados indicam que produtos na circulação do rato do GT estão envolvidos na modulação encontrada in vivo e que o TNF<font face=\"symbol\">a- é um forte candidato a participar dessa modulação promovida pelo estabelecimento da síndrome da caquexia sobre a produção de melatonina na glândula pineal. / The purpose of this work was to investigate the mechanisms that modify melatonin synthesis in pineal gland during cancer related cachexia and the involvement of cytokines in this context. The results showed an increment of melatonin production in the group inoculated with Walker 256 Tumor (GT) together with a higher activity and gene expression of AA-NAT enzyme, main enzyme that regulates melatonin synthesis. The in vitro study showed that glands from GT produced less melatonin than glands of the control group (GC) after noradrenalin (NOR) stimulation. Besides, TNF-<font face=\"symbol\">a was capable to modulate melatonin synthesis in pineal gland culture, promoting a stimulatory effect 2 hours after NOR stimulation and an inhibitory effect 4 hours after this stimulation. Therefore, the results indicate that products from tumor bearing rat\'s circulation are probably involved in the modulation found in vivo and that TNF-<font face=\"symbol\">a is a strong candidate to participate in cachexia-related modulation of melatonin production in pineal gland.

Background: Horses are much predisposed and susceptible to excessive and acute inflammatory responses that cause the recruitment and stimulation of polymorphnuclear granulocytes (PMN) together with peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and the release of cytokines. The aim of the study is to develop easy, quick, cheap and reproducible methods for measuring tumor necrosis factor alpha (TNF-α) and interleukin-1 receptor antagonist (IL-1Ra) in the equine whole blood cultures ex-vivo time- and concentration dependently. Results: Horse whole blood diluted to 10, 20 and 50 % was stimulated with lipopolysaccharide (LPS), PCPwL (a combination of phytohemagglutinin E, concanavalin A and pokeweed mitogen) or equine recombinant TNF-α (erTNF-α). TNF-α and IL-1Ra were analyzed in culture supernatants, which were collected at different time points using specific enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). Both cytokines could be detected optimal in stimulated 20 % whole blood cultures. TNF-α and IL-1Ra releases were time-dependent but the kinetic was different between them. PCPwL-induced TNF-α and IL-1Ra release was enhanced continuously over 24–48 h, respectively. Similarly, LPS-stimulated TNF-α was at maximum at time points between 8–12 h and started to decrease thereafter, whereas IL-1Ra peaked later between 12–24 h and rather continued to accumulate over 48 h. The equine recombinant TNF-α could induce also the IL-1Ra release. Conclusions: Our results demonstrate that similar to PCPwL, LPS stimulated TNF-α and IL-1Ra production time-dependently in whole blood cultures, suggesting the suitability of whole blood cultures to assess the release of a variety of cytokines in health and diseases of horse.

Einleitung Zytokine bewirken maßgeblich die Kommunikation und Koordination der zellulären und humoralen Effektorsysteme der angeborenen und erworbenen Immunität. Die Immunzellen stellen selbst die Hauptproduzenten der Zytokine dar. Pro- und anti-inflammatorische Zytokine nehmen nicht nur innerhalb der Zellkommunikation ablaufender Immun- und Entzündungsreaktionen eine Schlüsselrolle ein, sondern sind somit ebenso am Ablauf von Pathogenesen zahlreicher Erkrankungen beim Pferd beteiligt. Trotz verschiedener Studien anhand unterschiedlicher Modelle existiert keine einheitliche Datenlage zu validierten, vergleichbaren in vivo-nahen Zellkultursystemen, die es erlauben die Kinetiken equiner Zytokine als Grundlage zur weiterführenden Erforschung von Zytokinwechselwirkungen sowie zur Testung potentieller Arzneimittel abzubilden. Aktuell werden insbesondere Glukokortikoide weiterhin aufgrund ihrer anti-inflammatorischen und immunmodulatorischen Eigenschaften häufig, aber in Bezug auf Zytokine unspezifisch zur Therapie equiner Erkrankungen eingesetzt. Ziele der Untersuchung Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, eine einfache, schnelle, günstige und reproduzierbare Methodik zur ex vivo-Messung von Zytokinen (Tumornekrosefaktor-alpha [TNF-α], Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist [IL-1Ra] und Interferon gamma [IFN-γ]) und deren zeit- und konzentrationsabhängige Freisetzung in der equinen Vollblutzellkultur zu entwickeln. Anhand dessen sollte weiterführend der Effekt der Glukokortikoide Dexamethason (DEX) und Hydrocortison (HC) auf die Produktion von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ im equinen Vollblut untersucht werden. Zurzeit sind Zytokine, ihre Freisetzung sowie das Eintreten ihrer vermittelten Effekte Gegenstand der gegenwärtigen Forschung, mit dem Ziel spezifische Wechselwirkungen aufzuzeigen und somit zielgerichtete Therapeutika etablieren zu können. Insbesondere Pferde, die eine Anfälligkeit gegenüber mit Sepsis einhergehenden Erkrankungen oder für equines Asthma aufweisen, könnten davon profitieren. Material und Methoden Hierfür wurde Pferdevollblut, in den Verdünnungen zu 10%, 20% und 50% eingesetzt und mit Lipopolysaccharid (LPS), einer Kombination aus Phytohämagglutinin, Concanavalin A, Pokeweed-Mitogen und LPS (PCPwL) oder equinem rekombinantem TNF-a (erTNF-α) zur Zytokinfreisetzung stimuliert. Zur Erstellung der Zytokinkinetiken wurden Zellkulturüberstände zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt und die Konzentrationen von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ mit spezifischen enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) analysiert. In weiterführenden Versuchen wurden in der etablierten equinen Vollblutzellkultur DEX und HC in Konzentrationen von 10-12 - 10-5 M eingesetzt, um die LPS- oder PCPwL- induzierte Zytokinfreisetzung zu modulieren. Statistische Analysen erfolgten über die Berechnungen der Mittelwerte mit den dazugehörigen Standardfehlern. Signifikanzen wurden über ein- und zweifaktorielle ANOVA bestimmt. Ergebnisse Die durchgeführten Untersuchungen ergaben, dass die optimale Detektion der Zytokine in equinen Vollblutzellkulturen mit einem Blutanteil von 20% durchgeführt werden kann. TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ wurden zeitabhängig freigesetzt und zeigten unterschiedliche Freisetzungskinetiken. Die PCPwL- induzierte TNF-α- und IL-1Ra-Freisetzung stiegen jeweils kontinuierlich über 24 - 48 Stunden an. In ähnlicher Weise erreichte die LPS- stimulierte TNF-α-Konzentration ein Maximum zu Zeitpunkten zwischen 8 - 12 Stunden und begann daraufhin abzufallen, wohingegen die Konzentration von IL-1Ra 24 Stunden später gipfelte und vielmehr fortgeführt über 48 Stunden hinaus akkumulierte. Equines rekombinantes TNF-α konnte ebenso die IL-1Ra-Freisetzung induzieren. Die PCPwL-induzierte IFN-γ-Freisetzung begann zeitversetzt und verlief kontinuierlich ansteigend über 48 - 72 Stunden. In weiterführenden konzentrationsabhängigen Untersuchungen konnte anhand der equinen Vollblutzellkultur eine stärkere Suppression der LPS-induzierten TNF-α- und IL-1Ra-Produktion sowie der PCPwL-induzierten IFN-γ-Produktion durch DEX als durch HC nachgewiesen werden. DEX hemmte die Zytokinfreisetzung mit einer mittleren inhibitorischen Konzentration (IC50) von 0,09 μM (TNF-α), 0,453 μM (IL-1Ra) und 0,001 μM (IFN-γ), während HC IC50 Werte von 1,45 μM (TNF-α), 2,96 μM (IL-1Ra) und 0,09 μM (IFN-γ) aufwies. Schlussfolgerungen Schlussfolgernd kann zusammengefasst werden, dass sich das Model der equinen Vollblutzellkultur hervorragend eignet, um nach erfolgreicher Mitogenstimulation den zeitabhängigen Freisetzungsverlauf von Zytokinen evaluieren zu können. Somit bietet das Model der equinen Vollblutzellkultur durch die Vorteile einer einfachen, günstigen Durchführung im in vivo-nahen, physiologischen Milieu, die Möglichkeit den Zytokinstatus gesunder sowie kranker Pferde zu beurteilen und stellt seinen Nutzen und die Verlässlichkeit unter Beweis potentielle Arzneimittel und immunologische Zusammenhänge des Pferdes untersuchen zu können.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74 / Introduction The communication and coordination between the cellular and humoral effector compartments of the innate and adaptive immunity were mainly accomplished by cytokines. Immunocompetent cells themselves represent the main source for cytokines. Pro- and anti-inflammatory cytokines not only play a pivotal role within the cell signaling of expiring immune- and inflammatory reactions but also take part in the pathogenesis of several equine diseases. Despite various studies based on different experimental setups no uniform availability of data about validated, comparable in vivo cell culture systems exists which enables the description of the kinetically time course of cytokines as foundation of further investigations of cytokine interactions as well as the testing of potential drugs. These days especially glucocorticoids are still frequently used for treatment of equine diseases because of their anti-inflammatory and immunomodulatory, but with respect to cytokines unspecific properties. Objectives of the investigations The aim of the study was to develop an easy, quick, cheap and reproducible ex vivo method for measuring cytokines (tumor necrosis factor alpha [TNF-α], interleukin-1 receptor antagonist [IL-1Ra] and interferon gamma [IFN-γ]) and their time- and concentration-dependent release in the equine whole blood cell culture. Whereby the impact of the glucocorticoids dexamethasone (DEX) and hydrocortisone (HC) on production of TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ should be investigated subsequently. Currently, cytokines, their release and eventuation of their mediated effects are objects of actual research with the aim to reveal specific interactions and thus be able to establish purposeful therapeutic agents. This could be beneficial especially for horses which display a susceptibility to septic diseases or equine asthma. Material and Methods Therefore horse whole blood diluted to 10%, 20% and 50% was stimulated with lipopolysaccharide (LPS), a combination of phytohemagglutinin, concanavalin A, pokeweed mitogen and LPS (PCPwL) or equine recombinant TNF-α (erTNF-α). To generate cytokine kinetics TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were analyzed in culture supernatants, which were collected at different time points using specific enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). In further investigations within the equine whole blood cell culture DEX and HC were applied with concentrations between 10-12 and 10-5 M to modulate LPS- or PCPwL-induced cytokine release. Statistics were performed by calculation of means with associated standard errors. Statistical significances were assessed by one- and two-way analysis of variance. Results The evaluations revealed that cytokines could be detected optimal in whole blood cell cultures with 20% blood volume. TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were released time-dependently and differing kinetics were displayed. PCPwL-induced TNF-α and IL-1Ra release was enhanced continuously over 24 - 48 hours, respectively. Similarly, LPS-stimulated TNF-α was at maximum at time points between 8 - 12 hours and started to decrease thereafter, whereas IL-1Ra peaked 24 hours later and rather continued to accumulate beyond 48 hours. ErTNF-α could induce also the IL-1Ra release. PCPwL- induced IFN-γ release started time displaced and showed a continuously enhanced course over 48 - 72 hours. In subsequent investigations within equine whole blood cell culture, LPS-induced TNF-α and IL-1Ra as well as PCPwL-induced IFN-γ production were more potently suppressed concentration-dependently by DEX than by HC. DEX inhibited cytokine release with the inhibition concentration (IC50) 0.09 μM (TNF-α), 0.453 μM (IL-1Ra) and 0.001 μM (IFN-γ), whereas HC with IC50 values of 1.45 μM (TNF-α), 2.96 μM (IL-1Ra) and 0.09 μM (IFN-γ). Conclusion In conclusion our results could suggest the eminent suitability of equine whole blood cell culture to assess the release of a variety of cytokines following successful mitogen stimulation. Therefore the model of the equine whole blood cell culture provides, because of its advantages including simple and cheap performance in an in vivo close physiological ambient, the opportunity to evaluate the cytokine status of healthy and diseased horses. Furthermore it could give the proof of its benefit and reliability to evaluate potential equine drugs and immunological coherences of the horse.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74

This dissertation focuses on rationalised DNA design as a tool for the discovery and development of new therapeutic entities, as well as understanding the biological function of DNA beyond the storage of genetic information. The study is comprised of two main areas of study: (i) the use of DNA as a coding unit to illustrate the relationship between code-diversity and dynamics of self-assembly; and (ii) the use of DNA as an active unit that interacts and regulates a target protein. In the study of DNA as a coding unit in code-diversity and dynamics of self-assembly, we developed the DNA-Based Diversity Modelling and Analysis (DDMA) method. Using Polymerase Chain Reaction (PCR) and Real Time Polymerase Chain Reaction (RT-PCR), we studied the diversity and evolution of synthetic oligonucleotide populations. The manipulation of critical conditions, with monitoring and interpretation of their effects, lead to understanding how PCR amplification unfolding could reshape a population. This new take on an old technology has great value for the study of: (a) code-diversity, convenient in a DNA-based selection method, so semi-quantitation can evaluate a selection development and the population\'s behaviour can indicate the quality; (b) self-assembly dynamics, for the simulation of a real evolution, emulating a society where selective pressures direct the population's adaptation; and (c) development of high-entropy DNA structures, in order to understand how similar unspecific DNA structures are formed in certain pathologies, such as in auto-immune diseases. To explore DNA as an active unit in Tumour Necrosis Factor α (TNF-α) interaction and activity modulation, we investigate DNA's influence on its spatial conformation by physical environment regulation. Active TNF-α is a trimer and the protein-protein interactions between its monomers are a promising target for drug development. It has been hypothesised that TNF-α forms a very intricate network after its activation between its subunits and receptors, but the mechanism is still not completely clear. During our research, we estimate the non-specific DNA binding to TNF-α in the low micro-molar range. Cell toxicity assays confirm this interaction, where DNA consistently enhances TNF-α's cytotoxic effect. Further binding and structural studies lead to the same conclusion that DNA binds and interferes with TNF-α structure. From this protein-DNA interaction study, a new set of tools to regulate TNF-α's biological activity can be developed and its own biology can be unveiled.

Das kolorektale Karzinom (KRK) zählt zu den immunogenen Tumoren und zeichnet sich durch eine ausgeprägte Infiltration von verschiedenen Immunzell-Populationen aus. Dabei scheinen insbesondere CD8+ T-Lymphozyten und CD4+ T-Helfer-Zellen Typ 1 das Tumorwachstum zu beeinflussen und spielen somit eine zunehmende Rolle als prognostische Marker. Dementsprechend ergaben sich mehrere Hinweise, dass eine hohe Frequenz dieser beiden T-Zell-Populationen in KRK-Geweben mit einer erhöhten Überlebensrate assoziiert ist. Diese neuen Erkenntnisse könnten zukünftig in die Klassifikation des KRKs einfließen und therapeutische Entscheidungen beeinflussen. Im Gegensatz zu Tumor-infiltrierenden T-Zellen ist jedoch über die Frequenz und die Eigenschaften von nativen humanen dendritischen Zellen (DCs) in Kolonkarzinom-Geweben und deren mögliche Rolle in der immunologischen Abwehr von Tumoren nur sehr wenig bekannt. Als professionelle antigenpräsentierende Zellen spielen DCs eine Schlüsselrolle bei der Induktion und Aufrechterhaltung einer Tumor-gerichteten Immunantwort und können dadurch die Tumorentwicklung wesentlich beeinflussen. Daher wurden im Rahmen dieser Dissertation erstmalig Frequenz, Verteilung, Reifestatus und Zytokinexpression von 6-sulfo LacNAc+ (slan) DCs in Kolonkarzinom-Geweben sowie in korrespondierenden tumorfreien Kolon-Geweben untersucht. SlanDCs stellen eine große Subpopulation von humanen Blut-DCs dar, die nach Aktivierung hohe Konzentrationen von verschiedenen proinflammatorischen Zytokinen sezernieren. Darüber hinaus sind sie effizient in der Lage, die antitumoralen Eigenschaften von CD8+ T-Lymphozyten und CD4+ T-Helfer-Zellen sowie von Natürlichen Killer-Zellen zu fördern. Ausgehend von diesen Eigenschaften könnten slanDCs einen Beitrag zur Immunabwehr des Kolonkarzinoms leisten und somit das Tumorwachstum beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst mit Hilfe immunhistochemischer Färbungen der Nachweis von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben erbracht. In diesem Zusammenhang konnte eine höhere Frequenz von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben (Mittelwert: 16,69 slanDCs/mm2, n=38) im Vergleich zu den korrespondierenden tumorfreien Geweben (Mittelwert: 9,25 slanDCs/mm2, n=38) detektiert werden. Des Weiteren wurde eine höhere Dichte von infiltrierenden slanDCs in Kolonkarzinom-Gewebeproben (Mittelwert: 18,85 slanDCs/mm2, n=20) im Vergleich zu plasmazytoiden DCs (Mittelwert: 4,86 pDCs/mm2, n=20), welche eine andere Subpopulation von humanen DCs im Blut repräsentieren, nachgewiesen. Ausgehend von diesen Erkenntnissen erfolgten verschiedene Immunfluoreszenzfärbungen zur Untersuchung des Reifestatus und der Zytokinexpression der Kolonkarzinom-infiltrierenden slanDCs. Dabei konnten in allen zehn untersuchten Tumorgeweben CD83-exprimierende slanDCs detektiert werden (Mittelwert: 46,7 % CD83+ slanDCs), was auf einen reifen Phänotyp dieser DCs hinweist. Zudem erfolgte der Nachweis einer Interleukin (IL)-23-Expression in variabler Ausprägung durch infiltrierende slanDCs in zehn von elf analysierten Kolonkarzinom-Geweben (Mittelwert: 33,8 % IL-23+ slanDCs). Dabei stellte sich heraus, dass slanDCs einen wesentlichen Anteil der IL-23-exprimierenden Zellen in einigen untersuchten Gewebeproben darstellen. Eine Expression von Tumornekrosefaktor durch Kolonkarzinom-infiltrierende slanDCs wurde hingegen nur in einer geringen Frequenz detektiert. Weitere Untersuchungen identifizierten slanDCs als neue zelluläre Komponente der T-Zell-Zone von tertiären lymphoiden Strukturen (TLS) der Tumorumgebung des Kolonkarzinoms. Darüber hinaus wies ein deutlicher Anteil der dort lokalisierten slanDCs einen reifen Phänotyp oder eine Expression von IL-23 auf. Ausgehend von diesen neuen Ergebnissen könnten die infiltrierenden slanDCs an der Modulation einer adaptiven Immunantwort in der T-Zell-Zone Kolonkarzinom-assoziierter TLS beteiligt sein und einen Einfluss auf das Tumorwachstum ausüben. Weiterhin könnte die Expression des proinflammatorischen Zytokins IL-23 durch slanDCs im Tumor-umgebenden Stroma und in den TLS eine Induktion IL-17-produzierender Zellen fördern und damit auf eine Beteiligung der slanDCs an einem entzündungsbedingten Fortschreiten der Tumorerkrankung über die IL-23/IL-17-Achse hindeuten. Insgesamt leisten die gewonnenen Erkenntnisse einen Beitrag zum Verständnis der Rolle von humanen nativen DCs im Kolonkarzinom und könnten die Entwicklung neuer immuntherapeutischer Strategien in der Behandlung dieser Tumorerkrankung fördern.:Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VII 1 Einleitung 1 1.1 Das humane Immunsystem 1 1.2 Dendritische Zellen 2 1.2.1 Phänotyp und Funktion dendritischer Zellen 3 1.2.2 Aktivierung von T-Lymphozyten durch dendritische Zellen 4 1.2.3 Subpopulationen humaner dendritischer Zellen 6 1.3 Interaktion von Immunsystem und Tumor 8 1.4 Infiltration von Tumoren durch Immunzellen 10 1.5 Kolonkarzinome 11 1.5.1 Entwicklung, Charakteristika und Klassifikation kolorektaler Karzinome 12 1.5.2 Therapieansätze des Kolonkarzinoms 14 1.6 Zielstellung 17 2 Material und Methoden 19 2.1 Material 19 2.1.1 Chemikalien und Reagenzien 19 2.1.2 Lösungen und Puffer 19 2.1.3 Testkitsysteme 19 2.1.4 Antikörper zur Detektion von Oberflächenmolekülen 20 2.1.5 Seren 20 2.1.6 Geräte 21 2.1.7 Sonstige Materialien 21 2.1.8 Gewebeproben 21 2.2 Methoden 23 2.2.1 Vorbereitung der Gewebeproben zur Immunmarkierung 23 2.2.2 Immunhistochemischer Nachweis von slanDCs und pDCs in Kolonkarzinom-Geweben und tumorfreien Kolon-Geweben 24 2.2.3 Untersuchung der Zytokinexpression von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben und tumorfreien Kolon-Geweben mit Fluoreszenzfärbungen 25 2.2.4 Nachweis der Expression von CD83 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben mit einer Fluoreszenzfärbung 26 2.2.5 Analyse einer Kolokalisation von slanDCs und CD3+ T-Lymphozyten in Kolonkarzinom-Geweben 26 2.2.6 Detektion von slanDCs in tertiären lymphoiden Strukturen von Kolonkarzinom-Geweben 26 2.2.7 Nachweis der Expression von CD83 und Interleukin-23 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 28 2.2.8 Auswertung der immunhistochemischen Färbungen von slanDCs und pDCs in Kolonkarzinom-Geweben und in tumorfreien Kolon-Geweben 29 2.2.9 Statistik 30 3 Ergebnisse 31 3.1 Nachweis von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 31 3.2 Assoziation der ermittelten Frequenz infiltrierender slanDCs mit der TNM-Klassifikation des Kolonkarzinoms 37 3.3 Nachweis von pDCs in Kolonkarzinom-Geweben 39 3.4 Expression von CD83 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 42 3.5 Expression von Interleukin-23 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 44 3.6 Expression von Tumornekrosefaktor durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 47 3.7 Kolokalisation von slanDCs und CD3+ T-Lymphozyten in Kolonkarzinom-Geweben 50 3.8 Detektion von slanDCs in tertiären lymphoiden Strukturen von Kolonkarzinom-Geweben 51 3.9 Expression von CD83 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 54 3.10 Expression von IL-23 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 56 4 Diskussion 57 4.1 DCs als zentrale Mediatoren einer Tumor-gerichteten Immunantwort 57 4.2 DCs als Komponente des Immunzellinfiltrats im Kolonkarzinom 58 4.2.1 Immunhistochemischer Nachweis von DCs in Kolonkarzinom-Geweben 58 4.2.2 Zielstrukturen eingesetzter Antikörper in immunhistochemischen Färbungen von DCs 60 4.2.3 SlanDCs als DC-Subpopulation in Kolonkarzinom-Geweben 61 4.3 Phänotyp infiltrierender slanDCs im Kolonkarzinom 64 4.3.1 Expression von CD83 durch slanDCs 64 4.3.2 Expression von Interleukin-23 durch slanDCs 67 4.3.3 Expression von Tumornekrosefaktor durch slanDCs 69 4.4 SlanDCs als Komponente von tertiären lymphoiden Strukturen im Kolonkarzinom 71 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 Anlage 1 91 Anlage 2 92 Danksagung 93 / Colorectal cancer as an immunogenic tumor is characterized by a marked infiltration of different immune cell populations. Especially CD8+ T-lymphocytes and CD4+ T helper cells type 1 seem to influence tumor growth and therefore play an increasing role as prognostic markers. Thus, it has been shown that high densities of these T cell subsets are associated with improved survival of colorectal cancer patients. These new insights could become part of the classification of colorectal cancer and influence therapeutic decisions. Despite these studies, little is known about the frequency and properties of native human dendritic cells (DCs) in colon cancer tissues and their potential role in antitumor immunity. DCs as professional antigen-presenting cells are critical for the induction and maintenance of antitumor immunity and can essentially influence tumor progression. Thus, the frequency, distribution, maturation, and cytokine expression of 6-sulfo LacNAc+ (slan) DCs in colon cancer tissues as well as in corresponding tumor-free colon specimens were investigated. SlanDCs represent a subset of human blood DCs that secrete large amounts of proinflammatory cytokines upon activation. Furthermore slanDCs are able to efficiently activate CD4+ T cells, tumor-reactive CD8 + T cells, and natural killer cells. Due to these functional properties, slanDCs may contribute to antitumor immunity and may influence tumor growth. Within this doctoral thesis the presence of slanDCs in primary colon cancer samples was immunohistochemically verified. In this context, a higher frequency of slanDCs in colon cancer tissues (mean: 16,69 slanDCs/mm2, n=38) in comparison to the corresponding tumor-free specimens (mean: 9,25 slanDCs/mm2, n=38) could be detected. Moreover, higher frequencies of infiltrating slanDCs in colon cancer tissues (mean: 18,85 slanDCs/mm2, n=20) were detectable compared to plasmacytoid DCs (mean: 4,86 pDCs/mm2, n=20), representing another human blood DC-subset. Based on these results, various immunofluorescence stainings were performed to investigate maturation and cytokine expression of the infiltrating slanDCs. SlanDCs expressing the maturation marker CD83 were detected in all 10 analyzed colon cancer tissues (mean: 46,7% CD83+ slanDCs). In addition, IL-23-expressing slanDCs were present at varying percentages in 10 of 11 evaluated colon cancer samples (mean: 33,8% IL-23+ slanDCs). Interestingly, in several tissues slanDCs represented a marked proportion of all IL-23-expressing cells. However, slanDCs expressing tumor necrosis factor could only be detected in low frequencies in the analyzed colon cancer specimens. Further studies revealed that slanDCs are a novel component of the T-cell zone of colon cancer-associated tertiary lymphoid structures (TLS). A proportion of these TLS-associated slanDCs displays a mature phenotype or express IL-23. These novel findings indicate that slanDCs may modulate adaptive immune responses in the T-cell zone of colon cancer-associated TLS and may contribute to the regulation of tumor progression. Furthermore the IL-23-expressing slanDCs in the tumor-surrounding stroma and the TLS may promote the generation of IL-17-producing cells and may participate in inflammation-related cancer progression mediated by the IL-23/IL-17 axis. These novel observations can help to decipher the role of human native DCs in colon cancer and may have implications for the design of therapeutic strategies against this tumor entity.:Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VII 1 Einleitung 1 1.1 Das humane Immunsystem 1 1.2 Dendritische Zellen 2 1.2.1 Phänotyp und Funktion dendritischer Zellen 3 1.2.2 Aktivierung von T-Lymphozyten durch dendritische Zellen 4 1.2.3 Subpopulationen humaner dendritischer Zellen 6 1.3 Interaktion von Immunsystem und Tumor 8 1.4 Infiltration von Tumoren durch Immunzellen 10 1.5 Kolonkarzinome 11 1.5.1 Entwicklung, Charakteristika und Klassifikation kolorektaler Karzinome 12 1.5.2 Therapieansätze des Kolonkarzinoms 14 1.6 Zielstellung 17 2 Material und Methoden 19 2.1 Material 19 2.1.1 Chemikalien und Reagenzien 19 2.1.2 Lösungen und Puffer 19 2.1.3 Testkitsysteme 19 2.1.4 Antikörper zur Detektion von Oberflächenmolekülen 20 2.1.5 Seren 20 2.1.6 Geräte 21 2.1.7 Sonstige Materialien 21 2.1.8 Gewebeproben 21 2.2 Methoden 23 2.2.1 Vorbereitung der Gewebeproben zur Immunmarkierung 23 2.2.2 Immunhistochemischer Nachweis von slanDCs und pDCs in Kolonkarzinom-Geweben und tumorfreien Kolon-Geweben 24 2.2.3 Untersuchung der Zytokinexpression von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben und tumorfreien Kolon-Geweben mit Fluoreszenzfärbungen 25 2.2.4 Nachweis der Expression von CD83 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben mit einer Fluoreszenzfärbung 26 2.2.5 Analyse einer Kolokalisation von slanDCs und CD3+ T-Lymphozyten in Kolonkarzinom-Geweben 26 2.2.6 Detektion von slanDCs in tertiären lymphoiden Strukturen von Kolonkarzinom-Geweben 26 2.2.7 Nachweis der Expression von CD83 und Interleukin-23 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 28 2.2.8 Auswertung der immunhistochemischen Färbungen von slanDCs und pDCs in Kolonkarzinom-Geweben und in tumorfreien Kolon-Geweben 29 2.2.9 Statistik 30 3 Ergebnisse 31 3.1 Nachweis von slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 31 3.2 Assoziation der ermittelten Frequenz infiltrierender slanDCs mit der TNM-Klassifikation des Kolonkarzinoms 37 3.3 Nachweis von pDCs in Kolonkarzinom-Geweben 39 3.4 Expression von CD83 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 42 3.5 Expression von Interleukin-23 durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 44 3.6 Expression von Tumornekrosefaktor durch slanDCs in Kolonkarzinom-Geweben 47 3.7 Kolokalisation von slanDCs und CD3+ T-Lymphozyten in Kolonkarzinom-Geweben 50 3.8 Detektion von slanDCs in tertiären lymphoiden Strukturen von Kolonkarzinom-Geweben 51 3.9 Expression von CD83 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 54 3.10 Expression von IL-23 durch slanDCs in TLS von Kolonkarzinom-Geweben 56 4 Diskussion 57 4.1 DCs als zentrale Mediatoren einer Tumor-gerichteten Immunantwort 57 4.2 DCs als Komponente des Immunzellinfiltrats im Kolonkarzinom 58 4.2.1 Immunhistochemischer Nachweis von DCs in Kolonkarzinom-Geweben 58 4.2.2 Zielstrukturen eingesetzter Antikörper in immunhistochemischen Färbungen von DCs 60 4.2.3 SlanDCs als DC-Subpopulation in Kolonkarzinom-Geweben 61 4.3 Phänotyp infiltrierender slanDCs im Kolonkarzinom 64 4.3.1 Expression von CD83 durch slanDCs 64 4.3.2 Expression von Interleukin-23 durch slanDCs 67 4.3.3 Expression von Tumornekrosefaktor durch slanDCs 69 4.4 SlanDCs als Komponente von tertiären lymphoiden Strukturen im Kolonkarzinom 71 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 Anlage 1 91 Anlage 2 92 Danksagung 93

Seit 20 Jahren unterteilt man Monozyten in eine klassische CD14++/CD16-Population und eine proinflammatorische CD16+ Population. Letztere macht 10-20 % der peripheren Blutmonozyten aus und ist unter verschiedenen pathologischen Zuständen drastisch erhöht. Seit Kurzem wird die CD16+ Fraktion in zwei weitere Untergruppen aufgeteilt, die CD14++/CD16+ und die CD14+/CD16+ Monozyten. In der hier vorliegenden Arbeit wurde versucht, die relativ neue und wenig charakterisierte Subpopulation der CD14++/CD16+ Monozyten näher zu beschreiben. Es sollte die Frage beantwortet werden, ob diese sich von den übrigen Subpopulationen abzugrenzen lässt und damit als eigenständige Zellgruppe anzusehen ist. Die von gesunden Spendern gewonnen peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) wurden mithilfe einer Magnetsäulenvorseparation von einem Großteil der T-, B- und NK-Zellen befreit. Die restlichen Zellen wurden mit Anti-CD14-FITC und Anti-CD16-PE markiert. In einem Hochgeschwindigkeitssortierer wurden diese, anhand ihres Fluoreszenzmusters, in die drei Subpopulationen CD14++/CD16- (Sub1), CD14++/CD16+ (Sub2) und CD14+/CD16+ (Sub3) aufgeteilt. Durch dieses Verfahren konnte ein hoher Reinheitsgrad erreicht werden. Die erhaltenen Subpopulationen wurden mit heterologen CD4+ T-Lymphozyten zusammen gebracht. Die Reaktion dieser T-Zellen auf die verschiedenen Subpopulationen wurde im Proliferations- und Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) studiert. Des Weiteren wurde die Zytokinsekretion der Monozytenarten nach definierter Stimulierung (LPS, Zymosan, aktivierte T-Zellen) analysiert. In einem zweiten Versuchskomplex wurden aus den jeweiligen Subpopulationen unreife dendritische Zellen (Sub-DCs) differenziert und diese auf bestimmte Oberflächenmarker bzw. deren Verhalten mit heterologen CD4+ T-Zellen im Proliferations-/Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) untersucht. Nach 7 Tagen Inkubation fanden sich im Sub2- und Sub3-Ansatz ca. 10 % mehr proliferierende T-Zellen als im Sub1-Ansatz. Dabei lag der Anteil der CD25+ T-Zellen in diesen beiden Versuchsansätzen ebenfalls um 10 % höher. Der Proliferationsassay über 14 Tage zeigte für die Sub3 ca. 10-15 % mehr proliferierende T-Zellen als für die anderen Populationen. Das Niveau der CD25-Expression der T-Zellen war hierbei in allen drei Ansätzen gleich. Im Sekretionsassay induzierten alle drei Subpopulationen eine Th1-Antwort, jedoch mit einem leicht höheren Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen für die CD16+ Monozyten. Durch LPS-Gabe produzierten die CD14+/CD16+ Monozyten am meisten TNF-α, gefolgt von den CD14++/CD16+. Bei den CD14++/CD16- fanden sich die geringsten Mengen an TNF-α. Zusammen mit aktivierten T-Zellen demonstrierten die CD14++/CD16+ Monozyten die stärkste TNF-α-Sekretion unter allen anderen Subpopulationen. Für die beiden CD16+ Populationen wurden nach LPS-Stimulation höhere Werte für IL-1β bestimmt als für die klassischen Monozyten. Sowohl im LPS- als auch im Zymosanansatz lag die IL-6-Sekretion der CD14++/CD16- Subpopulation über der der anderen zwei Fraktionen. Unter allen drei Stimuli wurden die höchsten Werte für IL-8 bei den CD14++/CD16- Monozyten detektiert, gefolgt von den CD14++/CD16+. Am niedrigsten lag die IL-8-Produktion bei den CD14+/CD16+. Die IL-10-Sekretion im LPS- und im Zymosanansatz der CD14++/CD16- und CD14++/CD16+ Monozyten war gegenüber der CD14+/CD16+ Subpopulation erhöht. Nach Entwicklung der unreifen dendritischen Zellen aus den entsprechenden Monozytenarten weisen diese eine differenzierte Morphologie auf. Die DCs der CD14+/CD16+ Monozyten hatten eine stärkere HLA-DR-Expression in der mittleren Fluoreszenzintensität als die anderen beiden Sub-DC-Populationen, wobei sich keine Unterschiede in der HLA-DRExpressionsintensität zwischen Sub1- und Sub2-DCs feststellen ließen. Der Anteil der CD11c positiven Zellen war bei den Sub1-DCs deutlich größer als bei den Sub2-DCs. Dagegen exprimierten die Sub3-DCs praktisch kein CD11c. Im Proliferationsassay über 7 Tage ergaben sich keine signifikanten Differenzen zwischen den Subpopulationen. Allerdings zeigte sich eine Tendenz zu geringeren Werten im Anteil proliferierender bzw. CD25-positiver T-Lymphozyten für den Sub2-DC-Ansatz. Nach 14 Tagen im Assay war der Anteil der proliferierenden T-Zellen bei den Sub1-DCs um 10 % höher als bei den Sub2-DCs. Es fanden sich ca. 10 % mehr CD25+ T-Zellen im Sub1-DC-Ansatz als in den anderen beiden Ansätzen. Der Sekretionsassay erbrachte für alle Sub-DCs eine Th1-Induktion der T-Zellen. Dabei ließen sich keine Abweichungen im Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen zwischen den einzelnen Sub-DC-Kulturen nachweisen. Die gewonnen Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen auf der einen Seite das proinflammatorische Potential (z.B. TNF-α-Sekretion, erhöhte Proliferation), auf der anderen Seite die antiinflammatorische Komponente (IL-10-Sekretion) der CD14++/CD16+ Monozyten. Eine Rolle in der Regulation von entzündlichen und infektiologischen Erkrankungen erscheint für diese Subpopulation denkbar. Die Subpopulation 2 kann dabei als eigenständige Monozytenfraktion betrachtet werden. Die funktionellen Unterschiede zwischen den analysierten Monozytensubpopulationen zeigten sich auch nach deren Differenzierung zu unreifen dendritischen Zellen. In Anbetracht des erhöhten Anteils der CD16+ Monozyten im Rahmen diverser autoimmuner Krankheiten und der immer klarer werdenden Unterteilung in eine CD14++/CD16+ und eine CD14+/CD16+ Subpopulation, sollten weitere Untersuchungen zur klinischen Relevanz dieser Monozytengruppen durchgeführt werden. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse könnten bei der Zuordnung und Interpretation in diese zukünftigen klinischen Befunde behilflich sein. / For more than 20 years monocytes were subdivided in the classical CD14++/CD16- population and the proinflammatory CD16+ populations. The latter one includes about 10-20 % of the peripheral blood monocytes and is dramatically expanded under different pathological circumstances. Recently, the CD16+ fraction was further subdivided into two subpopulations: The CD14++/CD16+ and CD14+/CD16+ monocytes. In the present paper, the subpopulation of CD14++/CD16+ monocytes was characterized in order to answer the question if this subset can be distinguished as an independent cell population. T cells, B cells and NK cells were depleted from peripheral mononuclear blood cells (PBMCs) from healthy donors using immunomagnetic cell separation. Subsequently, the pre-separated cells were stained with anti-CD14-FITC and anti-CD16-PE and separated by fluorescence activated cell sorting (FACS) in three subpopulations: The CD14++/CD16- (Sub1), the CD14++/CD16+ (Sub2) and the CD14+/CD16+ (Sub3). The achieved purity was sufficient for the subsequent experiments. The obtained subpopulations were co-cultured together with heterologous CD4+ T lymphocytes. The reaction of these T cells to the different subpopulations was studied in the proliferation and secretion assay (IFN-γ, IL-4). Furthermore, the cytokine secretion of the monocyte subsets after defined stimulation (LPS, Zymosan, activated T cells) was analysed. In a second set of experiments, immature dendritic cells were differentiated from the monocyte subpopulations (Sub-DCs) and phenotypically and functionally characterized according to the expression of cell surface markers and the response to heterologous CD4+ T cells in the proliferation/secretion assay (IFN-γ, IL-4). After 7 days of incubation, the Sub2 and Sub3 of the monocytes induced approximately 10 % higher proliferation rates of T cells than the Sub1. The resulting frequency of CD25+ T cells in these two co-culture settings was also 10 % higher. The proliferation analysis after 14 days again showed for the Sub3 ca. 10-15 % more proliferating T cells than for the other populations. At this, the frequency of CD25 expression was equal in all co-cultures. In the secretion assay all three subpopulations induced a Th1 response, but the range of IFN-γ-positive T cells was somewhat higher for the CD16+ monocytes. Under LPS stimulation the CD14+/CD16+ monocytes produced the highest amounts of TNF-α followed by the CD14++/CD16+. The CD14++/CD16- showed the lowest amounts of TNF-α. In co-culture with activated T cells the CD14++/CD16+ monocytes demonstrated the strongest TNF-α secretion from all subpopulations. After LPS stimulation, a higher level of IL-1β was measured for both CD16+ populations than for the classical monocytes. In the LPS and the Zymosan stimulated cultures, the IL-6 secretion of the CD14++/CD16- subpopulation was higher than in the two other fractions. Under all three stimuli the highest levels of IL-8 were detected for the CD14++/CD16- monocytes followed by the CD14++/CD16+. The lowest IL-8 production was found by the CD14+/CD16+. The IL-10 secretion of the CD14++/CD16- and CD14++/CD16+ monocytes was increased compared to the CD14+/CD16+ subpopulation after LPS and Zymosan stimulation. The in vitro generated immature dendritic cells from the different monocyte subsets showed a differentiated morphology. The DCs of the CD14+/CD16+ monocytes had the strongest HLA-DR expression compared to the other two Sub-DC populations. No differences in the HLA-DR intensity were found between the Sub1- and Sub2-DCs. The rate of CD11c-positive cells was significantly higher in the Sub1-DCs than in the Sub2-DCs. However, the Sub3-DCs expressed no CD11c altogether. The proliferation assay over 7 days showed no significant differences between the subpopulations. Nevertheless, a tendency for lower levels of proliferating or CD25-positive T lymphocytes was seen in T cells co-cultured with the Sub2-DC. After 14 days, the ratio of proliferating T cells was 10 % higher with the Sub1-DCs than with the Sub2-DCs. The Sub1-DC co-culture yielded ca. 10 % more CD25+ T cells than the other two. The secretion assay revealed for all Sub-DCs a Th1 response of the T cells, with no differences in the amount of IFN-γ-positive T cells between the Sub-DC cultures. The results illustrate on one hand the proinflammatory potential (e.g. TNF-α secretion, higher proliferation), on the other hand the antiinflammatory effect (IL-10 secretion) of CD14++/CD16+ monocytes. A role in the regulation of inflammatory and infectious diseases seems to be possible for this subpopulation. The subpopulation 2 can be regarded as an independent fraction of monocytes. The functional differences between the analyzed monocyte subpopulations are further underscored following differentiation into immature dendritic cells. Considering the increased proportion of CD16+ monocytes in various autoimmune diseases and their clear subdivision in a CD14++/CD16+ and a CD14+/CD16+ subpopulation, new investigations about the clinical relevance are warranted. The findings obtained in the work presented could be in the basis for these future clinical studies.