京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23099号 / 医博第4726号 / 新制||医||1050(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 濵﨑 洋子, 教授 浅野 雅秀, 教授 羽賀 博典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21636号 / 医博第4442号 / 新制||医||1034(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 生田 宏一, 教授 杉田 昌彦, 教授 竹内 理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Die Haut ist das größte Organ des Menschen und bildet die Barriere gegenüber Einwirkungen aus der Umwelt. Die Störung der Hautbarriere durch exogene und endogene Reize führt zu einer Entzündungsreaktion in der Haut. In der Folge können Hauterkrankungen wie die irritative oder Atopische Dermatitis entstehen. Der Tumor Nekrose Faktor-α (TNF-α) ist ein pleiotrop wirksames Zytokin, das eine zentrale Rolle bei entzündlichen Prozessen spielt. Ziel der vorgelegten Promotionsarbeit war zu untersuchen, ob und wie TNF-α zu Entzündungsgeschehen, ausgelöst durch exogene und endogene Faktoren, beiträgt. Die Bedeutung von TNF-α wurde in TNF-ko Mäusen in verschiedenen Hautmodellen untersucht. Für das Irritationsmodell wurden chemische und physikalische Reize verwendet. TSLP (Thymic stromal lymphopoietin) wurde durch die verschiedenen Stimuli signifikant induziert. Diese Induktion war unabhängig von der endogenen TNF-α Produktion, gezeigt durch den Einsatz von TNF- ko Mäusen . Da endogenes TNF-α für die Hautirritation keine notwendige Bedingung darstellte, wurde die Bedeutung von TNF-α bei der atopischen Dermatitis (AD) untersucht. TNF-α defiziente Mäuse zeigen verstärkt Ekzeme im Vergleich zu Wildtyp Mäusen. Die Behandlung von TNF-ko Mäusen mit einem TSLP Antikörper führte zu einer Verminderung des Ekzems. Mastzellen wurden vermehrt in läsionaler Haut gefunden und korrelierten mit dem Schweregrad des atopischen Ekzems sowie der TSLP-Expression. / The skin is the largest organ of an individuum and builds the barrier for a host against the environment. Skin barrier disruption by exogenous or endogenous stimuli can lead to skin inflammation. As a consequence, irritant or atopic eczema, frequent skin diseases, may evolve. Tumor necrosis factor-α (TNF-α) is a pleiotropic cytokine which plays a central role in inflammatory processes. The main aim of this thesis was to clarify whether and how endogenous TNF-α is contributing to skin inflammation driven by exogenous and endogenous triggers. The role of endogenous TNF-α was studied using TNF knockout (-/-) mice. In an irritation model, chemical and physical stimuli were applied on to mouse skin. Thymic stromal lymphopoietin (TSLP) was significantly induced by the used irritants. This TSLP induction was independent from endogenous TNF-α proven by using TNF-/- mice. Next the role of TNF-α in atopic dermatitis (AD) promoting an allergic skin inflammation was investigated. TNF-/- mice developed more severe AD compared to the wildtype mice and TSLP was significantly increased and correlated with the severity of the eczema. To prove the pathophysiological role of TSLP for AD progression, TNF-/- mice were pretreated with an TSLP antibody. Indeed, these mice developed less AD symptoms compared to the control mice. Mast cells (MCs) were also significantly increased in lesional skin in the AD model and moreover, correlated with AD severity, but also with TSLP expression.

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Die Haut ist das größte Organ des Menschen und stellt die primäre Barriere gegen Umwelteinflüsse und Pathogene dar. Eine Dysbalance der Hautbarriere birgt die Gefahr einer nachfolgenden Entzündungsreaktion. Bleibt diese bestehen, können sich Hautkrankheiten wie zum Beispiel die atopische Dermatitis (AD) entwickeln. Verschiedene Zytokine wie Thymic Stromal Lymphopoietin (TSLP) werden bei entzündlichen Hauterkrankungen eine bedeutende Rolle zugeschrieben. Die Bedeutung von TSLP wurde zunächst anhand mehrerer Knockout-Mausstämme untersucht. Hier zeigte sich, dass TSLPR-KO und TNF-TSLPR-DKO Mäuse im Gegensatz zu TNF-KO Mäusen keine bzw. weniger Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Haut entwickeln. Die Rolle äußerer Einflüsse auf die TSLP-Produktion wurde anhand eines Irritationsmodells ebenfalls in Mäusen untersucht. Dabei führte die Hautirritation, ausgelöst durch Abtragen der oberen Hautschichten mittels eines Tesa-Abriss, zu einem signifikanten Anstieg von TSLP in der Haut?. Mit Hilfe von Agonisten und Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass dieser Irritations-vermittelte TSLP-Anstieg über Interleukin-1 (IL-1) und Protease Activated Receptor 2 (PAR-2) vermittelt wird. In diesem Zusammenhang wurde auch gezeigt, dass die Aktivierung von IL-1- sowie PAR-2-abhängigen Signalwegen zu einer gesteigerten Aktivität des TSLP-Promotors führte. Die Untersuchung der Wirkung verschiedener Mastzellmediatoren auf die TSLP-Expression ergab, dass Tryptase, über die Aktivierung von PAR-2, der wichtigste Mediator für den Anstieg von TSLP nach der Degranulation von Mastzellen ist. Dieses Ergebnis wurde mittels verschiedener in vitro, in vivo und ex vivo Experimentalansätze belegt. So konnte in einem c48/80-abhängigen Degranulationsmodell in Mäusen gezeigt werden, dss PAR-2- sowie Mastzell-KO Mäuse im Vergleich zu Wildtypen nach Injektion von c48/80 signifikant weniger TSLP exprimierten. / The skin is the first line of defense against environmental or microbial pathogens. A deviation of the skin barrier homeostasis by any kind of insult can result in an inflammatory response. The inflammatory response in turn can promote the development of an eczemaincluding atopic eczema. Thymic stromal lymphopoietin (TSLP) due to its pleiotropic nature play an important role in inflammatory disorders. The major aim of this thesis was to better understand the underlying mechanisms of TSLP production in the context of skin irritation and mast cell (MC) mediators and their contribution in the development of atopic dermatitis (AD). The role of TSLP was studied using TSLPR-/- mice. The data show that TSLPR-/- and TNF-/-/TSLPR-/- mice were protected from AD development, by contrast TNF-/- mice exhibited severe AD. The role of exogenous triggers was studied using tape stripping mediated skin irritation mouse models. Skin irritation resulted in significant enhanced TSLP production. TSLP induction was identified to depend on interleukin (IL)-1 and protease activated receptor (PAR)-2 pathways proven by using exogenous activators or inhibitors of these pathways. Moreover, PAR-2 and IL-1 concomitantly promoted NF-κB binding to the human TSLP promoter which in turn resulted in an increased TSLP promoter activity. Additionally, the role of mast cell mediators in the context of TSLP induction was investigated. Tryptase turned out to be the trigger responsible for the enhanced TSLP response by activating the PAR-2 pathway. This finding was proven by employing in vitro, ex vivo and in vivo approaches. In detail PAR-2-/- and MC-/- mice were used in a compound 48/80 (C48/80) dependent MCs degranulation model. PAR-2-/- and MC-/- mice produced significantly less TSLP in comparison to control mice.

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Une fois activées, les cellules dendritiques (DCs) migrent dans les organes lymphoïdes ou elles exercent leur rôle de cellules présentatrices d’antigène professionnelles. Elles sont capables d’activer et d’induire la différenciation des lymphocytes T naïfs en différentes sous-populations de lymphocytes T auxiliaires. L’ajustement de la réponse lymphocytaire T au type d’inflammation est assuré par les DCs à deux niveaux. Premièrement, grâce à leur plasticité, les DCs adaptent leur comportement en fonction de la combinaison de signaux issus du microenvironnement inflammatoire. Deuxièmement, il existe différentes sous-populations de cellules dendritiques ayant de différentes spécialisations fonctionnelles.Mon travail de thèse s’est concentré sur l’étude de la diversité des réponses des sous-populations de cellules dendritiques humaines suite à la stimulation par la cytokine lymphopoïetine stromale thymique (TSLP). Cette cytokine est secrétée par les cellules épithéliales et la peau au cours de l’inflammation. La TSLP active principalement les DCs myéloïdes, induisant celles-ci à secréter les chimiokines inflammatoires CCL17 et CCL22. Les DCs activées par la TSLP (TSLP-DCs) induisent une réponse inflammatoire de type Th2, et sont impliquées dans le développement de l’allergie. La comparaison systématique de la réponse à la TSLP par les sous-populations de DCs du sang, BDCA1+ et BDCA3+, nous a permis de montrer que ces deux sous-populations sont activées par la TSLP. Toutefois, nos résultats montrent que la TSLP, en synergie avec le TGF-β, induit la différenciation des DCs BDCA-1+ en cellules de Langerhans, mais pas celle des DCs BDCA-3+. De plus, la TSLP induit la migration cellulaire et la sécrétion de chimiokines seulement chez la sous-population de DCs BDCA-1+. Des analyses complémentaires des mécanismes impliqués dans la migration des DCs BDCA-1+ en réponse à la TSLP révèlent que, d’une part la TSLP est indispensable à l’induction de la migration et d’autre part, qu’un récepteur de chimiokines, sensible à la Toxine Pertussique serait impliqué. Au final, nos résultats révèlent (i) de nouvelles capacités des DCs en tant que cellules précurseurs, (ii) de différentes propriétés fonctionnelles des sous-populations de DCs en réponse à la stimulation par la TSLP, (iii) et démontrent la complexité des mécanismes impliqués dans la migration des DCs induite par la TSLP. / Once activated, Dendritic Cells (DCs) migrate to the lymphoid organs and exert their role as professional antigen presenting cells. They are able to induce the activation and differentiation of naïve T cells into different types of T helper cells. The T cell response must be suited to the type of inflammation. This is ensured by DCs at two levels. First DCs are functionally plastic. This means that their behavior is subdued to the integrated signals coming from the inflammatory microenvironment. Secondly, the DC population is diverse. Indeed, different DC subsets have different functional specializations. My thesis was focused on the differential response of human DC subsets to Thymic stromal lymphopoietin (TSLP). This cytokine is secreted by inflamed skin and epithelia, and strongly activates myeloid DCs. The TSLP-activated DCs secrete the inflammatory chemokines CCL17 and CCL22, prime an inflammatory Th2 response, and have been involved in the pathogenesis of allergic inflammation. By systematically comparing the response of human blood BDCA-1+ and BDCA-3+ DCs to TSLP stimulation we found that both of these DC subsets get activated by TSLP. However TSLP synergizes with TGF-β to induce the differentiation of blood BDCA-1+ and not BDCA-3+ DCs into Langerhans Cells. Moreover, TSLP induces cell migration and chemokine secretion only on the blood BDCA-1+ subset. Further analysis of the mechanisms implicated in TSLP-induced DC migration revealed that TSLP is required to induce DC migration, but this effect is dependent on the expression of a PTX-sensitive chemokine receptor. Overall our results reveal new precursor capacities of blood DC subsets, different functional properties of blood DC subsets stimulated by TSLP and highlight intricate mechanisms underlying TSLP-induced DC migration.

T cell activation and thymic selection are thought to be determined by the binding propensity (avidity or affinity) of the T cell receptor (TCR) to its ligands. However, binding propensity quantified by previous 3D TCR–pMHC kinetics such as using tetramer staining or surface plasmon resonance (SPR) under estimate TCR–pMHC interaction due to neglecting physiological conditions. Recent studies considering membrane contribution in TCR–pMHC interaction reported 2D kinetics and force regulated bond dissociation kinetics have better prediction to biological responses in CD8+ T cells. In this study, we further tested the findings in CD4+ T cells and CD4+ CD8+ (double-positive, DP) thymocytes. We analyzed TCR–pMHC interaction for a well-characterized panel of altered peptide ligands (APLs) on multiple transgenic mouse TCR systems. Using ultrasensitive 2D mechanical assays, in situ 2D kinetic measurements show better sensitivity than the SPR 3D kinetic measurements in gauging the ligand potency and thymic selection. Furthermore, force-regulated bond lifetime of TCR–pMHC interaction amplifies the discrimination in recognition of APLs and thymic selection. When force was applied to TCR–pMHC–CD4/8 bonds, two distinct patterns emerged: agonist/negative selecting ligands formed CD4/8-dependent catch-slip bonds where lifetime first increased, reached a maximum, then decreased with increasing force, whereas antagonist/positive selecting ligands formed slip-only bonds where lifetime monotonically decreases with increasing force. Our results highlight an important role of mechanical force in ligand discrimination and suggest a new mechanism for T cell activation and thymic selection that is distinct from previous models based on 3D measurements.