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.

Adaptive Immunantworten gegen Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) sind von entscheidender Bedeutung für die effektive Eindämmung des Erregers sowie den Schutz vor einer erneuten, sekundären Tuberkulose (TB). Obwohl Schlüsselfaktoren wie die Th1 Zytokine IFN-gamma und TNF-alpha bekannt sind, blieben Bemühungen zur Identifizierung eindeutiger immunologischer Parameter, welche ausschlaggebend für den Krankheitsverlauf sind, bislang erfolglos. Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Immunprozesse sowie die Identifikation projektiver Biomarker für TB sind zentrale Ziele dieser Arbeit. Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen wurden adaptive Immunantworten gegen M. tuberculosis in gesunden Probanden mit LTBI und Patienten mit aktiver TB analysiert. Hierfür wurde die Erkennung unterschiedlicher Proteine des Erregers durch die Messung IFN-gamma exprimierender CD4+ CD45RO+ Gedächtnis T Zellen untersucht. Eine Besonderheit war die Einbeziehung sogenannter Latenz-assoziierter Proteine, welche in Zusammenhang mit Dormanz und Reaktivierung des Bakteriums stehen. 7 Tage in vitro Inkubation in Verbindung mit einer zweimaligen Restimulation belegten eine spezifische Erkennung durch CD4+ CD45RO+ T Zellen für die Mehrheit der getesteten Proteine bei Spendern mit LTBI. Der darauf folgende Vergleich zwischen Patienten mit aktiver TB und Personen mit LTBI zeigte signifikant höhere T Zell Antworten für 7 der 35 M. tuberculosis Proteine während LTBI. Bemerkenswerterweise konnten spezifische T Zellen für eines der Protein, nämlich Rv3407, ausschließlich während LTBI gemessen werden und nicht bei Patienten mit aktiver TB. Diskriminanz Analysen zeigten, dass eine Unterscheidung zwischen LTBI und TB Patienten basierend auf T Zell Antwort gegen ausgewählte Latenz-assoziierte Antigene mit einer Genauigkeit von 82% möglich ist. Erneut erwies sich Rv3407 als der mit Abstand bedeutendste Faktor innerhalb der ausgewählten M. tuberculosis Proteine. / Adaptive immune responses to Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) are crucial for an efficient containment of the pathogen and protection against secondary tuberculosis (TB). Although key mediators like the Th1 cytokines IFN-gamma and TNF-alpha released by M. tuberculosis-specific T cells are known, the immunological correlates determining the outcome of infection remain elusive. A better understanding of the underlying immune processes and the identification of protective biomarkers for TB are central aims of this thesis. To address these topics adaptive immune responses to M. tuberculosis were analyzed in healthy LTBI and patients with active pulmonary TB. The recognition of M. tuberculosis derived antigens was studied by measuring the expression of IFN-gamma in CD4+ CD45RO+ memory T cells. A special hallmark was the inclusion of latency proteins associated with dormancy, reactivation and resuscitation of the pathogen. Seven days in vitro incubation of PBMC and two rounds of restimulation followed by FACS analysis revealed T cell mediated recognition of the majority of tested latency-associated proteins in donors with LTBI. Comparison between active TB and LTBI documented significantly higher T-cell responses against 7 of 35 tested M. tuberculosis latency-associated antigens in LTBI. Notably, T cells specific for one M. tuberculosis antigen, namely Rv3407, were exclusively detected in the subgroup of LTBI. Discrimination analysis revealed that the T-cell response against selected antigens with our novel assay is capable of distinguishing TB patients and LTBI with 82% accuracy using cross-validation. Again Rv3407 was by far the most influential component present in this cluster. Peptide pool stimulation in a similar fashion identified single distinct candidate epitopes within Rv3407 in four LTBI.

Der adoptive Transfer von TZR-modifizierten T Zellen ist mit potentiellen Risiken verbunden. Autoimmunreaktionen können auftreten, wenn Tumor-assoziierte Antigene auf normalem Gewebe erkannt werden, Fehlpaarung der TZR-Ketten zur Bildung eines autoreaktiven Rezeptors führen oder ein sonst anerger auto-reaktiver endogener Rezeptor aktiviert wird. Auch besteht das Risiko der malignen Transformation der Zelle durch Insertionsmutagenese. Daher ist es notwendig, die transferierten T Zellen im Fall schwerer Nebenwirkungen eliminieren zu können. Derzeit verfügbare Sicherheitsmechanismen sind für die Therapie mit TZR-modifizierten T Zellen ungeeignet. In dieser Arbeit wurde ein neuer Sicherheitsansatz entwickelt, der auf einem TZR-intrinsischen Depletionsmechanismus beruht und TZR-veränderte T Zellen eliminieren kann. Durch Einfügen eines myc-tags in murine (OT-I, P14) und humane (gp100) TZRs konnten TZR-exprimierende T Zellen in vitro und in vivo mittels eines myc-spezifischen Antikörpers depletiert werden. Die T Zellen behielten vergleichbare Funktionalität hinsichtlich Antigenerkennung und Zytokinsekretion wie Zellen, die den Wild-Typ Rezeptor exprimierten. Die Depletion adoptiv transferierter T Zellen verhinderte lethalen Diabetes in einem Mausversuch. Im verwendeten Modell wurden Splenozyten, die einen myc-getagten OT-I TZR exprimierten, in RIP-mOVA Mäuse injiziert, welche in den Inselzellen des Pankreas das OT-I-spezifische Antigen Ovalbumin exprimieren. Zerstörung der Inselzellen durch die T-Zellen induzierte lethalen Diabetes in unbehandelten Mäusen. Tiere, denen ein myc-spezifischer Antikörper verabreicht wurde, zeigten keine Symptome. Dieser neuartige Sicherheitsmechanismus erlaubt es, adoptive T Zelltherapie abzubrechen, falls schwere Nebenwirkungen auftreten. Im Gegensatz zu früheren Strategien muss kein zusätzliches Sicherheitsgen eingebaut werden und die Sicherheit des Ansatzes wird durch Verlust oder Herunterregulierung des Transgens nicht beeinflusst. / Adoptive transfer of TCR gene-modified T lymphocytes into patients is associated with potential risk factors. First, auto-immunity may occur if a tumor-associated antigen is targeted on normal tissue, if TCR chain mispairing leads to the formation of an auto-reactive receptor or if an otherwise anergic endogenous receptor specific for an auto-antigen becomes activated. Second, retroviral integration could lead to malignant transformation of the T cell. Therefore, it is essential to have the possibility to deplete the transferred T cells in vivo in case of severe side effects. The available safety modalities comprise disadvantages rendering them less feasible for the application in therapy with TCR gene-modified T cells. In this study, a safeguard based on a TCR-intrinsic depletion mechanism has been developed that eliminates auto-reactive TCR-redirected T cells. By introducing a myc-tag into the murine (OT-I, P14) or human (gp100) TCRs it was possible to deplete TCR-expressing T cells in vitro and in vivo with a myc-specific antibody. The T cells maintained equal function compared to cells expressing the wild-type receptor as shown by antigen binding and cytokine secretion. Importantly, the in vivo depletion of adoptively transferred T cells prevented disease in an auto-immune mouse model. Here, splenocytes transduced with a myc-tagged OT-I TCR were injected into RIP-mOVA mice expressing the OT-I-specific antigen ovalbumin in the pancreatic beta-cells. Destruction of these cells by the adoptively transferred T cells led to severe diabetes in untreated mice. Animals receiving a myc-specific antibody after T cell transfer showed no increase in blood glucose levels. The developed safeguard allows termination of adoptive therapy in case of severe side-effects. The strategy is superior to previous ones as it relies on a TCR-intrinsic mechanism which does not require introduction of an additional gene and safety is not hampered by loss or low expression of the transgene.

Bei der Aufrechterhaltung des homeostatischen Gleichgewichts und der peripheren Selbst-Toleranz spielen CD4+CD25+ regulatorische T-Zellen (Tregs) eine wichtige Rolle. In Vorarbeiten wurden Subpopulationen von murinen CD4+ Tregs identifiziert, die sich durch die Expression des Integrins alphaE auszeichnen. Diese alphaE+ Treg Subpopulationen weisen einen Effektor/Memory-ähnlichen Phänotyp auf. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, welche Bedingungen zur Entwicklung von alphaE+ Effektor/Memory Tregs in vivo führen und aus welchen Vorläuferzellen sie entstehen. Dabei zeigte sich, dass es sich bei den alphaE+ Tregs um Effektor/Memory T-Zellen handelt, die unter physiologischen Bedingungen in vivo ein hohes Maß an Zellteilung aufweisen, welche zum Teil abhängig von der bakteriellen Besiedelung des Darms ist. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass alphaE+ Tregs nach oraler, antigen-spezifischer Aktivierung in den darm-assozierten lymphoiden Geweben sowohl aus konventionellen naiven CD4+ T-Zellen, als auch aus thymus-generierten naiven CD4+CD25+ Tregs entstehen können. Zusammenfassend deuten die erzielten Ergebnisse darauf hin, dass das spezifische mukosale Mikroenvironment sowohl die Expansion als auch Konvertierung von Tregs fördert und so eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Homeostase von alphaE+Foxp3+ Tregs spielt. Zudem wurde in dieser Arbeit die Ausbildung von gewebespezifischen Homingrezeptor-Phänotypen von naiven CD4+CD25+ Tregs untersucht. In in vitro Kultur-Systemen zeigte sich, dass selektive Modulation von Tregs, ähnlich wie bei konventionellen T-Zellen, die Induktion von organspezifischen Migrationseigenschaften ermöglicht. So konnte eine effiziente Wanderung von Tregs in den Darm ausgelöst werden. Diese Daten legen den Schluss nahe, dass die Herstellung von Tregs mit spezifischen Wanderungseigenschaften eine Option für therapeutische Anwendungen in der adoptiven T-Zell Therapie sein könnte. / Regulatory CD4+CD25+ T cells (Tregs) play an important role in immune homeostasis and in the maintenance of self-tolerance. Previously, subsets of murine CD4+ Tregs characterised by expression of the integrin alphaE had been identified. These alphaE+ Treg subsets display an effector/memory-like phenotype. In the present study the circumstances favouring in vivo generation of effector/memory-like alphaE+ Tregs were analysed. The results presented here show that alphaE+ effector/memory-like Treg subsets contain a large fraction of cycling cells under physiologic conditions in healthy mice. This in vivo proliferation depended, at least in part, on intestinal commensal microflora. Furthermore, it was observed that alphaE+ Tregs not only developed by differentiation of naive-like CD4+CD25+ Tregs, but were also generated de novo from naive CD4+ T cells in the gut-associated lymphoid tissue upon oral antigen delivery. Taken together, these results indicate that the mucosal microenvironment favours both expansion and conversion of Tregs and thereby represents an important mechanism for the homeostatic maintenance of alphaE+Foxp3+ Tregs. In addition, susceptibility of naive CD4+CD25+ Tregs to acquire tissue-specific homing receptor phenotypes was investigated. In vitro culture systems demonstrated that Tregs, similarly to conventional T cells, could be configured with organ-selective homing properties allowing efficient targeting into the gut. These results suggest that generation of Tregs with specific homing properties for therapeutic purposes in adoptive T cell therapy might be a feasible option.

Die initialen immunologischen Prozesse, die zur Entwicklung autoimmuner Lebererkrankungen führen, sind weitgehend unbekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Antigenpräsentation, die Migration sowie der Phänotyp in vivo aktivierter CD8 T-Zellen in der Leber anhand eines Mausmodells der autoimmunen Hepatitis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hepatische dendritische Zellen an der Entstehung von CD8 Effektor-T-Zellen und an der Inflammation der Leber beteiligt sind. Kupffer-Zellen dagegen nehmen im autoimmunen Kontext in der Leber eine tolerogene Funktion ein. Die in vivo in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen zeigten spezifische Oberflächenmarker und ein ungewöhnliches Migrationsverhalten. So wurde zum einen mit Neuropilin-1 ein weitgehend unbekannter Oberflächenmarker identifiziert, zum anderen spricht die Expression von bekannten Markern, die den Aktivierungsstatus der CD8 T-Zellen definieren, für einen hybriden Phänotyp. Sie besitzen sowohl Charakteristika von naiven CD8 T-Zellen als auch von Effektorzellen, eine Eigenschaft, die auch bei zentralen Gedächtniszellen gefunden wird. In der Leber aktivierte CD8 T-Zellen können nicht nur proinflammatorische Zytokine ausschütten und somit eine Inflammation in der Leber auslösen, sondern sind außerdem in der Lage durch Lymphknoten zu zirkulieren. Dagegen ist ihnen der Zugang zum Darm verwehrt, womit eine direkte regulatorische Funktion im Darm ausgeschlossen werden kann. Obwohl auf in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen spezifische Adhäsionsmoleküle identifiziert wurden, existiert keine exklusive gewebespezifische Migration in die Leber, wie sie etwa für im Darm aktivierte CD8 T-Zellen nachgewiesen wurde. Im darmassoziierten lymphatischen Gewebe aktivierte CD8 T-Zellen akkumulieren in der Leber und tragen möglicherweise zur Schädigung der Leber im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bei. Diese Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung autoimmuner Prozesse in der Leber bei. / Initial immunological processes leading to autoimmune liver diseases are largely unknown. Therefore this thesis analyzed the antigen presentation, the migration as well as the phenotype of in vivo activated CD8 T cells in the liver by employing a mouse model for autoimmune hepatitis. It was shown that hepatic dendritic cells are effective antigen-presenting cells, which contribute to the induction of functional effector CD8 T cells in the liver and hepatitis. In contrast, Kupffer cells have a tolerogenic role during autoimmune processes in the liver. CD8 T cells that were in vivo activated in the liver display specific surface markers and unusual migration patterns. On the one hand an unusual surface molecule Neuropilin-1 was identified, on the other hand expression of well-known markers defining the activation-status of CD8 T cells suggests a hybrid phenotype. They reflect aspects of naive and effector T cells, characteristics also found on central memory T cells. Liver-primed CD8 T cells do not only produce pro-inflammatory cytokines leading to hepatitis, but they also retain their ability to circulate through lymph nodes. However, they have no access to the gut, which suggests that a direct regulatory function in the gut can be excluded. Although specific adhesion molecules on CD8 T cells activated in the liver were identified, no exclusive tissue-specific migration into the liver exists, as was shown for CD8 T cells primed in the gut. CD8 T cells activated in the gut-associated lymphoid tissue accumulate in the liver, in principle enabling them to induce liver pathology in the context of inflammatory bowel disease. Thus, the here described findings contribute to the understanding of initial immunological processes in autoimmune liver diseases.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden T-Lymphozyten verstärkt als Zielzellen für genetische Modifikationen eingesetzt, mit der Absicht vererbbare oder erworbene Krankheiten zu behandeln. Vor kurzem konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, dass alloantigen-spezifische, genmodifizierte T-Lymphozyten ein enormes Potential besitzen, als Transport- Systeme für therapeutische Gene in allogene Transplantate zu dienen. Diese T-Lymphozyten migrieren und akkumulieren spezifisch in das allogene Transplantat, in welchem es zu einer lokalen und starken T-Zell aktivierungsabhängigen Expression des Transgens kommt. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential von viralem IL-10 als therapeutisches Transgen untersucht. Dazu wurde zunächst in der gemischten Lymphozyten-Kultur (MLR) eine Lewis T-Zelllinie spezifisch für Ratten-DA Alloantigene generiert. Während der MLR wurden die Lymphozyten retroviral transduziert, so dass sie vIL-10 stabil exprimieren. Der Zytokin-Level der TvIL-10-Lymphozyten liegt 48h nach der T-Zellaktivierung zwischen 1-2ng/m. Die vIL-10 transgenen T-Lymphozyten zeigen einen CD4+CD25+ Phänotyp und sezernieren neben vIL-10 auch Ratten IL-10 und IFN-g aber kein IL-4, ähnlich wie T-regulatorische Zellen Typ 1 (Treg1). Zunächst wurden die vIL-10 transgenen T-Lymphozyten hinsichtlich ihres Potentials untersucht, die alloantigen-spezifische Immunantwort in vitro zu modulieren. Dazu wurden 5% vIL-10 transgener T-Lymphozyten zu einer MLR hinzugegeben. Zuvor wurden die naiven Lewis T-Lymphozyten mit einem Membranfarbstoff markiert, um die Proliferation und die Zytokin-Expression dieser Zellen zu untersuchen. Im Vergleich zu Kontroll-MLRs ohne transgene oder mit EGFP-transgenen Lymphozyten konnte eine signifikante Inhibierung der Proliferation als auch der INF-g Expression von naiven T-Lymphozyten detektiert werden. Trotz dieses großen Potentials in vitro, führte der adoptive Transfer der vIL-10 transgenen Zellen allein oder in Kombination mit Cyclosporin (0,5mg/kg/Tag) nicht zu einer Verlängerung der Transplantatüberlebenszeit im allogenen Herztransplantationsmodell. Diese Daten zeigen, dass die Überexpression von vIL-10 im Transplantat eines starken Abstoßungsmodells nicht zur Verlängerung der Transplantatüberlebenszeit führt. Außerdem kann das in vitro gezeigte regulatorische Potential dieser T-Zellen nicht zwangsläufig auf ihr in vivo Potential übertragen werden. / During last two decades T lymphocytes have become key targets for genetic modification in order to treat inherited or acquired human diseases. Recently, we demonstrated the capacity of allospecific gene-engineered T lymphocytes as a transport shuttle for therapeutic transgenes into allografts. These lymphocytes migrate and accumulate specifically in allografts where alloantigen-driven T cell activation strongly enhances local expression of the gene of interest. In this study, the influence of viral IL-10 as a therapeutic transgene was addressed. Lewis T cell lines specific for DA rat alloantigens were generated in a modified mixed lymphocyte reaction protocol (MLR). During MLR, lymphocytes were genetically modified to express vIL-10 using a retroviral gene expression system. The cytokine level in the supernatant of TvIL-10-lymphocytes varied between 1-2 ng/ml 48h after T-cell activation. Like T regulatory 1 (Treg1) cells, vIL-10 transgenic T lymphocytes express the phenotype CD4+25+ and secrete, in addition to vIL-10, rat IL-10 and IFN-g but no IL-4. First we evaluated the potential of vIL-10 transgenic T cell lines to modulate alloantigen-specific immune responses in vitro. Small numbers of TvIL-10-lymphocytes were added to MLR (less than 5%). Naive cells were stained with membrane dyes to trace proliferation and to analyze cytokine expression. In comparison to control MLR with no transgenic cells or equal numbers of TEGFP-lymphocytes, the proliferation as well as the production of IFN-g of naive responder cells were significantly diminished. Despite this regulatory capacity in vitro, the vIL-10 transgenic T lymphocytes were not able, either alone or in combination with suboptimal cyclosporine (0,5mg/kg/day), to prolong the survival of DA rat cardiac allografts in LEW recipients. These data demonstrate that intragraft IL-10 overexpression is not sufficient to prolong allograft survival in a high-responder strain combination and that the regulatory capacity of T cells in vitro does not predict their in vivo efficiency.

Kutane T-Zell-Lymphome (CTCL) stellen eine heterogene Gruppe von non-Hodgkin-Lymphomen dar. Die häufigsten Entitäten sind die Mycosis fungoides, das Sézary-Syndrom sowie CD30+ lymphoproliferativen Erkrankungen (cALCL). Todesliganden-vermittelte Apoptose ist auch für die Lymphozyten-Homöostase von essentieller Bedeutung. Zunächst wurden die CTCL-Zelllinien mit systemischen T-Zell-Lymphomzellen hinsichtlich ihrer Apoptosesensitivität verglichen. Hierbei zeigte sich eine ausgesprochene Resistenz aller kutanen Zelllinien gegenüber TRAIL- und TNF-α-induzierter Apoptose. Anhand der Aktivierung der Caspasensignalkaskade war eine frühe Blockierung der Apoptose nachweisbar. Überdies konnte der Verlust von CD95, TNF-R1, Caspase-10 sowie von Bid in verschiedenen CTCL-Zelllinien nachgewiesen werden. Die Apoptoseresistenz konnte hingegen mit einer generellen und starken Expression des anti-apoptotischen Proteins c-FLIP korreliert werden. Des Weiteren wurde der Einfluss von CD30-Stimulation auf die durch CD95-induzierte Apoptose in CD30+-Zelllinien untersucht. Hierbei zeigte sich, dass CD30 Stimulation zur Aktivierung von NF-kB und zu erhöhter c-FLIP Expression führt, was mit Apoptoseresistenz korrelierte. Die Bedeutung der in vitro-Ergebnisse zeigte sich auch durch eine weitgehende Parallelität dieser zu untersuchten Biopsieproben von CTCL-Patienten. Schließlich wurden verschiedene NSAIDs auf ihre Fähigkeit hin untersucht, die Expression von c-FLIP zu vermindern und Apoptose zu induzieren. Dies wurde sowohl in CTCL-Zelllinien als auch in Tumor-T-Zellen von CTCL-Patienten untersucht. NSAIDs aktivierten beide Apoptosesignalwege und Diclofenac sensitiviert überdies für TRAIL-vermittelte Apoptose. In Ihrer Gesamtheit vermittelt die vorliegende Arbeit einen Einblick in die komplexen Apoptoseregulationsmechanismen in kutanen T-Zell-Lymphomen und identifiziert c-FLIP als einen zentralen Resistenzfaktor sowie NSAIDs als mögliche CTCL-Therapieoption. / Cutaneous T cell lymphomas (CTCL) form a heterogeneous group of non-Hodgkin lymphomas. Its most frequent forms are Mycosis fungoides, Sézary syndrome and CD30-positive cutaneous anaplastic large-cell lymphoma. Death ligands critically contribute to lymphocyte homeostasis by induction of apoptosis and may further represent safeguard mechanisms to prevent lymphoma development and tumor growth. First, we analyzed induction of apoptosis by death ligands in CTCL cell lines and compared it to that in systemic T-cell lymphoma cells. This revealed for CTCL cells a pronounced resistance to death ligands. In particular, there was no caspase activation in non-responsive CTCL cells, indicating an early blockade of the apoptosis signal. Furthermore a loss of CD95, TNF-R1, caspase-10, as well as of Bid was found in several cell lines. Changes at the receptor expression level were largely ruled out, whereas, consistent and strong expression of c-FLIP was correlated with resistance. In addition, we investigated the CD30/CD95 crosstalk in CD95-sensitive cALCL cell lines. Experiments showed that CD30 ligation leads to NF-κB-mediated c-FLIP upregulation in cALCL cells, which in turn conferred resistance to CD95-induced apoptosis. Parallels with regard to expression of apoptosis regulators were seen in peripheral blood mononuclear cells and biopsies of CTCL patients. Finally, we evaluated non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) for their capacity to downregulate c-FLIP expression and apoptosis induction in CTCL cells as well as in tumor T cells from CTCL patients. NSAID treatment resulted in an activation of both apoptosis signaling pathways and, furthermore, Diclofenac pre-treatment sensitized for TRAIL-induced apoptosis. In conclusion, this study elucidates defects in apoptosis regulation, proved the significance of c-FLIP for the survival of CTCL cells and provides a rationale for the use of NSAIDs as a potentially new therapeutic option for CTCL patients.

Die Herstellung von T-Zellen mit definierten Spezifitäten durch den Transfer von T-Zellrezeptor (TCR) Genen ist eine effiziente Methode, um Zellen für eine Immuntherapie bereitzustellen. Eine besondere Herausforderung ist dabei, ein ausreichend hohes Expressionsniveau des therapeutischen TCR zu erreichen. Da T-Zellen mit einem zusätzlichen TCR ausgestattet werden, entsteht eine Konkurrenzsituation zwischen dem therapeutischen und dem endogenen TCR. Bevor diese Arbeit begonnen wurde war nicht bekannt, welche TCR nach einem Gen-Transfer exprimiert werden. Daher haben wir Modelle etabliert, in denen TCR Gene in Maus und humane T-Zellen mit definierten endogenen TCR transferiert wurden. Die Expression beider TCR wurde mithilfe von Antikörpern und MHC-Multimeren analysiert. Diese Modelle haben gezeigt, dass bestimmte TCR andere TCR von der Zelloberfläche verdrängen können. Dies führte in einem Fall zu einer vollständigen Umkehr der Antigenspezifität. Aufgrund dieser Ergebnisse haben wir das Konzept von „starken“ (gut exprimierten) und „schwachen“ (schlecht exprimierten) TCR vorgeschlagen. Zusätzlich wurde die Verdrängung „schwacher“ und „starker“ humaner TCR durch Maus TCR beobachtet. Parallel dazu wurde berichtet, dass die konstanten (C) Regionen von Maus TCR für die erhöhte Expression auf humanen Zellen verantwortlich sind. Dies führte zu einer Strategie zur Verbesserung der Expression humaner TCR, die auf dem Austausch der humanen C-Regionen durch die von Maus TCR basiert (Murinisierung). Ein Problem ist dabei die mögliche Immunogenität dieser hybriden Konstrukte. Deshalb haben wir jene Bereiche der Maus C-Regionen identifiziert, die für die erhöhte Expression verantwortlich sind. In der TCRalpha Kette wurden vier und in der TCRbeta Kette fünf Aminosäuren gefunden, die ausreichend für diesen Effekt waren. Primäre humane T-Zellen mit TCR, die diese neun „Maus“ Aminosäuren enthielten, zeigten eine bessere Funktionalität als T-Zellen mit Wildtyp TCR. / The in vitro generation of T cells with a defined antigen specificity by T cell receptor (TCR) gene transfer is an efficient method to create cells for immunotherapy. One major challenge of this strategy is to achieve sufficiently high expression levels of the therapeutic TCR. As T cells expressing an endogenous TCR are equipped with an additional TCR, there is a competition between therapeutic and endogenous TCR. Before this work was started, it was not known which TCR is present on the cell surface after TCR gene transfer. Therefore, we transferred TCR genes into murine and human T cells and analyzed TCR expression of endogenous and transferred TCR by staining with antibodies and MHC-multimers. We found that some TCR have the capability to replace other TCR on the cell surface, which led to a complete conversion of antigen specificity in one model. Based on these findings we proposed the concept of ‘‘strong’’ (well expressed) and “weak” (poorly expressed) TCR. In addition, we found that a mouse TCR is able to replace both “weak” and “strong” human TCR on human cells. In parallel to this result, it was reported that the constant (C)-regions of mouse TCR were responsible for the improved expression of murine TCR on human cells. This led to a strategy to improve human TCR by exchanging the C-regions by their murine counterparts (murinization). However, a problem of these hybrid constructs is the probable immunogenicity. Therefore, we identified the specific parts of the mouse C-regions which are essential to improve human TCR. In the TCRalpha C-region four and in the TCRbeta C-region five amino acids were identified. Primary human T cells modified with TCR containing these nine “murine” amino acids showed an increased function compared to cells modified with wild type TCR. For TCR gene therapy the utilization of these new C-regions will reduce the amount of foreign sequences and thus the risk of immunogenicity of the therapeutic TCR.

Die vorliegende Studie präsentiert eine Analyse der Integration der AhR und Wnt/beta-catenin Signalwege in den CYP1A1 Promotor sowie den regulatorischen Einfluss der Promotorlogik auf die Genexpression. Experimentell wurde diese Analyse mithilfe 29 mutagener Reporterkonstrukte des humanen CYP1A1 Promotors durchgeführt. Ein mathematisches Modell, welches eine Repräsentation des Crosstalks der Signaltransduktionswege mit einer statistisch mechanischen Beschreibung der kombinatorischen Promotorbelegung kombiniert, komplementierte den experimentellen Ansatz. Unter zusätzlicher Zuhilfenahme von gut kontrollierbaren synthetischen Promotorkonstrukten fand ich heraus, dass nur jenes Dioxin-responsive Element das sich am nächsten am Transkriptionsstartpunkt befindet, die Promotorbelegung an die RNA Polymerase kommuniziert. Außerdem beobachtete ich, dass Transkriptionsfaktoren alleine mit Transkriptionsfaktoren interagieren die mit benachbarten Bindestellen assoziieren, d.h. Interaktionen überbrücken keine größeren Entfernungen. Der Modellierungsansatz ermöglichte zudem die erfolgreiche Vorhersage einer UND-Gatter-ähnlichen Integration der beiden Signalwege in den Promotor. Für die genomische Architektur des CYP1A1 Promotors konnte ich die Signifikanz der Zielbindestelle des Wnt/beta-catenin Signalwegs innerhalb des cis-regulatorischen Region demonstrieren. Mithilfe des Modells fand ich heraus, dass diese Bindestelle am stärksten und vielfältigsten mit den restlichen Transkriptionsfaktoren interagiert. Zusätzliche konnte, im Vergleich zu dem alles-oder-nichts UND-Gatter der synthetischen Konstrukte, eine sehr viel graduellere Antwort auf die Integration der beiden Signalwege aufgezeigt werden. Abschließend wurde das physiologisch zu beobachtende Expressionsmuster von dem Modell vorhergesagt und experimentell validiert. / The study at hand presents an analysis of the integration of the AhR and the Wnt/beta-catenin signaling pathways into the CYP1A1 promoter as well as the regulatory influence of the promoter logic on gene expression. Experimentally, this analysis was conducted with the help of 29 mutant constructs of the human CYP1A1 promoter. I complemented this experimental approach with a set of mathematical models that combined a representation of the signaling crosstalk with a statistical mechanics description of the combinatorial promoter occupancy. With the help of well controllable synthetic promoter constructs I found that only the dioxin responsive element closest to the transcription start site communicates the promoter occupancy to the RNA polymerase. Furthermore, transcription factors only interact with transcription factors that associate with nearby binding sites, i.e., no long-distance binding was observed. The modeling approach subsequently enabled the successful prediction of an AND-gate-like integration of the two signaling pathways into the promoter. For the genomic architecture of the CYP1A1 promoter, I could demonstrate the importance of the Wnt/beta-catenin pathway target binding site within the cis-regulatory region. The model uncovered that this binding site is the strongest and most promiscuous interaction partner of the remaining transcription factors. In addition, a less switch-like response to the integration of the two signaling pathways as compared to the all-or-none AND-gate within the synthetic constructs could be demonstrated. And lastly, the physiological expression pattern in liver lobules could be successfully predicted by the model and experimentally verified.

Der Induzierbare Kostimulator (ICOS) ist ein wichtiger Regulator der T-Zell-Effektorfunktion. In vivo führt ein Defekt von ICOS zur Beeinträchtigung der T-Zellabhängigen humoralen Immunität. In gendefizienten Mäusen wurden stark gestörte B-Zellantworten beobachtet. Mehrere in vitro und in vivo Studien führen diese Phänomene auf eine beeinträchtigte Regulation von Kommunikationsmolekülen auf der Zelloberfläche und Expression von Zytokinen durch ICOS-defiziente T-Zellen zurück. In dieser Arbeit konnte jedoch anhand Antigen-spezifischer T-Zellen in einem murinen adoptiven Transfersystem gezeigt werden, dass das Signal über ICOS die frühe T-Zellaktivierung nicht signifikant beeinflusst. Stattdessen trägt ICOS wesentlich zum Überleben und zur Expansion von Effektor T-Zellen bei, die zuvor lokal durch Antigengabe mit Adjuvanz induziert wurden. Diese beobachtete biologische Funktion von ICOS lässt sich auch auf FoxP3+ Regulatorische T-Zellen übertragen, welche durch systemische Antigengabe ohne Adjuvanz generiert wurden. In Übereinstimmung mit diesem Befund führt die Abwesenheit von ICOS unter homöostatischen Bedingungen in nicht-immunisierten Mäusen zu reduzierten Zellzahlen von Effektor-Memory T-Zellen und FoxP3+ Regulatorischen T-Zellen. Der regulierende Effekt von ICOS auf die Größe einer spezifischen Effektor T-Zellpopulation gilt auch für Follikuläre T-Helferzellen, konnte jedoch für zytotoxische CD8+ T-Zellen nicht eindeutig nachgewiesen werden. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse kristallisiert sich eine globale biologische Rolle von ICOS für Effektorzellen heraus. Als kostimulatorisches, agonistisches Molekül reguliert ICOS generell die Pool-Größe aller Effektor T-Zellen mit unterschiedlichen, teilweise gegensätzlichen funktionellen Eigenschaften. Mit Hilfe dieses neuen Konzeptes können frühere in vivo Studien, deren Ergebnisse in Bezug auf die Funktion von ICOS scheinbar widersprüchlich waren, in Einklang gebracht werden. / The Inducible Co-Stimulator (ICOS) is an important regulator of T cell effector function. In vivo ICOS deficiency results in impaired T-cell dependent humoral immunity. Knock out mice show strongly defective B cell responses. Several in vitro and in vivo studies attributed this phenomenon to impaired upregulation of cell surface communication molecules and cytokine synthesis by ICOS-deficient T cells. However, in this work now could be shown with antigen-specific T cells in a murine adoptive transfer system that signaling via ICOS does not significantly affect early T cell activation. Instead, ICOS substantially contributes to the survival and expansion of effector T cells upon local challenge with antigen and adjuvant. Importantly, the observed biological function of ICOS also extends to FoxP3+ regulatory T cells, as can be observed after systemic antigen delivery without adjuvant. In line with these findings, absence of ICOS under homeostatic conditions of nonimmunized mice leads to a reduced number of both effector-memory and FoxP3+ regulatory T cells. The regulatory function of ICOS to control the poolsize of special T cell effector populations is also observed for follicular B helper T cells. The influence of ICOS on cytotoxic CD8+ T cells could not be clearly demonstrated. Based on these results, I propose a biological role for ICOS as a costimulatory, agonistic molecule for a variety of effector T cells with differing and partly opposing funtional roles. This concept may reconcile a number of past in vivo studies with seemingly cotradictory results on ICOS function.