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.

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.

Es stellt sich die Frage, wie diese Zellen im entzündeten Gewebe überleben können und wie sie ihren Stoffwechsel an die dortigen Bedingungen anpassen. Diese Arbeit beschreibt am Beispiel der Juvenilen Idiopathischen Arthritis (JIA) die Analyse des Stoffwechsels von CD4+ T Lymphozyten, die chronische Entzündungen antreiben undim entzündeten Gewebe lange Zeit persistieren. Pathogene CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5-T Zellen wurden hierfür aus Synovialflüssigkeit von Patienten mit JIA isoliert und gezeigt, dass auch bei diesen Zellen der Stoffwechsel auf Fettsäureoxidation beruht. Wurde die Fettsäureoxidation durch Etomoxir blockiert, starben die Zellen. Die Störung des Stoffwechsels dieser Zellen könnte somit eine Option für einen neuen Therapieansatzdarstellen. Zusätzlich war die Expression des Transkriptionsfaktors Twist 1 in diesen CD4+CD45RO+ PD1+ CXCR5- T Zellen hochreguliert. Twist 1 ist ein Marker für T Lymphozyten, die in entzündetem Gewebe von Patienten mit chronisch-entzündlichen Erkrankungen der Gelenke oder des Darmes persistieren. Untersuchung in vitro ergaben außerdem, dass Twist 1 spezifisch von Th1 Lymphozyten exprimiert wird, die mehrfach restimuliert wurden. Dieser Transkriptionsfaktor wirkt einerseits der Gewebszerstörung, die von T Zellen verursacht wird, entgegen, und unterstützt anderseits die Persistenz der Zellen im Gewebe durch die Induktion der microRNA148a, die die Expression des pro-apoptotischen Proteins Bim reguliert. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Einfluss auf die Regulation des Metabolismus von CD4+ T Lymphozyten bei chronischen Entzündungen. Dabei wird die Glycolyse verringert und vermehrt Fettsäuren synthetisiert, um die Zellen vor reaktiven oxidierenden Spezies (ROS) zu schützen. Zusätzlich konnten wir nachweisen, dass mehrfach re-stimulierte, Twist-defizienteTh1 Zellen unfähig sind, durch Fettsäureoxydation zu überleben, sondern den Stoffwechsel auf Lipid- Peroxidierung umstellen / How do CD4+ T cells adapt their metabolism for survival in the inflamed tissue? This thesis describes analysis of the metabolism of CD4 T lymphocytes driving chronic inflammation and persisting at the site of inflammation, exemplified by cells that reside in the inflamed tissue of patients with the rheumatic disease juvenile idiopathic arthritis. To specifically take aim at the CD4+ T lymphocytes persisting at the site of inflammation, it is important to determine how these cells adapt their metabolism. We show that pathogenic CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells that were isolated from the synovial fluid of patients with juvenile idiopathic arthritis are dependent on a fatty acid oxidation for survival ex vivo. Their survival can be blocked by blocking FAO with Etomoxir, pointing to the option of targeting such cells by metabolic interference. Furthermore, CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells had upregulated expression of Twist1, a hallmark transcription factor of T lymphocytes persisting in the inflamed tissues of patients with chronic-inflammatory diseases of joints or the gut. Expression of Twist1 is specific for Th1 lymphocytes which have repeatedly been re-stimulated in vitro, or isolated from inflamed. This transcription factor dampens immunopathology caused by the T cells and supports their persistence, by inducing microRNA148a, which regulates expression of the proapoptotic protein Bim. This thesis shows, through conditional genetic inactivation of Twist1 in CD4+ T lymphocytes, that Twist1 regulates the metabolism ofCD4 T lymphocytes of chronic inflammation, by downregulating glycolysis, promoting fatty acid synthesis and protecting the cells from ROS. Additionally, we show that Twist1 deficient repeatedly reactivated murine Th1 cells are unable to survive on fatty acid oxidation and have increased levels of lipid peroxidation.

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.

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.

Die Infiltration von T Zellen in das Zentrale Nervensystem (ZNS) ist ein Charakteristikum neuroinflammatorischer Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose (MS) und ihrem Tiermodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), und führt zur Aktivierung intrinsischer Hirnmakrophagen, den Mikrogliazellen, zu axonaler Schädigung sowie zum Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke. Die T Zellen, welche als erste im Gehirn erscheinen, sind vom Subtyp Th1, spezifisch für Bestandteile der Myelinscheide, wie das myelinbasische Protein (MBP), produzieren inflammatorische Zytokine und rekrutieren andere unspezifische T Zellen und Makrophagen. Da sich diese Zellen des Immunsystems gegen körpereigene Bestandteile richten, spricht man von autoreaktiven T Zellen und einer autoimmunen Erkrankung. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich den Einfluss dieser autoreaktiven T Zellen auf den Aktivierungszustand von Mikrogliazellen mit Hilfe muriner Schnittkulturpräparate von Hippocampus und entorhinalem Kortex untersucht, welche den myelinisierten Fasertrakt Tractus perforans mit seinen Ursprungsneuronen und Zielzellen enthielten. Gering aktivierte MBP-spezifische T Zellen induzierten die Expression der Aktivitätsmarker MHC-II und ICAM-1 auf den Mikroglia und die damit verbundene axonale Schädigung (Phagozytose) im gleichen Maße wie hochaktivierte unspezifische T Zellen. Nur Th1 Zellen konnten Mikroglia aktivieren. MBP-spezifische Th2 Zellen hingegen reduzieren die Th1 induzierte Mikrogliaaktivierung (ICAM-1) auf Kontrollniveau. MBP-spezifische Th1 Zellen konnten die Expression von B7 auf Mikrogliazellen modulieren, während die MBP-spezifischen Th2 Zellen diese Eigenschaft nicht besaßen. Durch diese Befunde kann die prominente Rolle von autoreaktiven Th1 Zellen beim Auslösen neuroinflammatorischer Prozesse auf ihre einmalige Fähigkeit, Mikrogliazellen zu aktivieren und deren kostimulatorische Moleküle zu modulieren, zurückgeführt werden. Gleichzeitig bieten die Daten eine mögliche Erklärung für die protektive Rolle von Th2 Zellen bei MS und EAE. Es ist bekannt, dass autoreaktive T Zellen, wie die MBP-spezifischen Th1 Zellen, auch im gesunden Zustand im humanen und murinen T-Zell-Repertoire vorhanden sind. Die physiologische Funktion dieser Zellen ist unklar. Untersuchungen am Nervus opticus sowie im Rückenmark in vivo belegen, dass autoreaktive T Zellen und Makrophagen die Reorganisationsprozesse im ZNS nach traumatischer Schädigung positiv beeinflussen. Diese bei neuroinflammatorischen Erkrankungen so destruktiv wirkenden autoreaktiven T Zellen verhindern nach einem experimentell gesetzten Primärschaden im ZNS das Fortschreiten der Schädigung und es kommt zu einer fast vollständigen Regeneration des Gewebes. Im zweiten Teil meiner Promotionsarbeit habe ich versucht, die Mechanismen, welche hinter dieser Protektion stecken aufzuspüren. Dazu habe ich ebenfalls das in vitro Hirnschnittmodell benutzt. Für diese Fragestellungen wurden Akutschnitte verwendet, die ein Modell für primäre Schädigung im ZNS darstellen. MBP-spezifische Th2 Zellen hatten ein größeres protektives Potential als MBP-spezifische Th1 Zellen. Die nicht ZNS-spezifischen Th1 und Th2 Zellen benötigten ihr Antigen (OVA-Peptid), um signifikant protektiv zu wirken. Durch eine Superstimulation der OVA- und MBP-spezifischen T Zellen wurde eine Neuroprotektion auf gleichem Niveau erreicht. Die Neuroprotektion nach primärer Schädigung von ZNS Gewebe ist somit antigen- und stimulationsabhängig und wird hauptsächlich von Th2 Zellen unterstützt. / The invasion of T cells into the central nervous system (CNS) is a hallmark of neuro inflammatory diseases like multiple sclerosis (MS) and its rodent model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), leading to activation of intrinsic macrophages, the microglia, axonal damage and break down of the blood brain barrier. The initial invading T cells are of the Th1 subtype and specific for parts of the myelin sheet like myelin basic protein (MBP). They produce inflammatory cytokines and recruit peripheral non-specific T cells and macrophages. Because these T cells are directed against a self antigen, they are called auto reactive T cells and the phenomenon an autoimmune disease. In the first part of my study I investigated the influence of auto reactive T cells on microglial cells' utilizing an organotypic slice culture system of hippocampus and entorhinal cortex. The slice culture contains a myelinated fibre tract - the tractus perforans - with its original and target neurons. Low activated MBP-specific T cells induced the expression of the activation markers ICAM-1 and MHC-II on microglia as well as microglial phagocytosis in the same manner as highly activated non-specific T cells. Only Th1 cells were able to activate microglia, while Th2 cells reduced the Th1 induced activation (ICAM-1 expression). MBP-specific Th1 cells could modulate the expression of co-stimulatory molecules B7-1 and B7-2, whereas MBP-specific Th2 cells could not. These findings could show why Th1 cells are responsible for EAE induction while Th2 cells can be protective. Auto reactive T cells like MBP-specific T cells have been found in the normal human and murine T cell repertoire. The physiological function of these cells is still unclear. Studies using the models of optic nerve crush or spinal cord crush have shown that macrophages and auto reactive T cells are involved in reorganisation and regeneration after CNS trauma. These auto reactive T cells, which are usually known to be destructive, could prevent CNS tissue from secondary degeneration. In the second part of my study I tried to identify the mechanisms involved in this phenomenon. I also used the organotypic slice culture system. Immediately after preparation causing the primary injury the slices were cultivated with T cells. Th2 cells were found to be more potent to prevent form secondary damage than Th1 cells. The non-CNS specific OVA Th1 and Th2 cells required their antigen to be fully protective. When over stimulated, MBP- and OVA-specific Th1 and Th2 cells proved to be protective to the same extend. Neuroprotection after primary injury depends on the T cell s state of activation and their antigen specificity. Among the cells examined I found Th2 cells were most effective in preventing CNS tissue from secondary injury.

Regulatorische T-Zellen (Treg) eröffnen neue immuntherapeutische Wege zur Kontrolle unerwünschter Immunreaktionen, jedoch wirft die Heterogenität dieser Zellen die Frage auf, welche Treg-Population für die klinische Anwendung. Darauf basierend werden in dieser Arbeit drei Fragestellungen bearbeitet: i) Bestimmung der Häufigkeit von Tregs und deren Subpopulationen in verschiedenen Altersgruppen bei Empfängern einer Organtransplantation (Tx) und einer gesunden Kontrollgruppe; ii) Vergleich der Suppressorkapazität verschiedener Treg-Populationen und in vitro-Expansion der Zellen unter Erhaltung ihrer Funktionalität; iii) Klärung der Differenzierungsmerkmale von Tregs und deren Verknüpfung mit konventionellen T-Zellen (Tconv) mittels Analyse des T-Zell-Rezeptor- (TCR) Repertoires. Sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Tx-Empfänger konnte eine altersabhängige Verschiebung von naiven (TregN) hin zu dominant zentralen Gedächtnis-Zellen (TregCM) beobachtet werden, Treg von Tx-Empfängern hatten mehr Effektor-Memory-Zellen (EM) und sie waren mehr aktiviert. In Bezug auf die Kontrolle der frühen Tconv zeigen TregCM eine erhöhte Suppressorkapazität im Vergleich zu TregN. Außerdem sind im Gegensatz zu TregN nur TregCM dazu in der Lage, Apoptose bei Responderzellen zu induzieren. Der Grund hierfür könnte in der stärkeren Expression von CTLA-4 auf TregM liegen. Die Expansionskultur führte zur phänotypischen Veränderung der TregN, deren Umwandlung in TregCM mit einer verbesserten Suppressoraktivität verbunden ist. Die Daten legen nahe, dass das Expandieren mit gesamt Treg für die Adoptive-Treg-Therapie optimal sind, da sie der größte Anteil von ihnen die hochpotenten TregCM sind. TCR-Studien mittels Next Generation Sequencing zeigen weiter, dass TregM aus TregN entstehen, anstatt aus Tconv, in einem Antigen-gesteuerten Prozess. Diese Daten belegen erstmalig neue Erkenntnisse hinsichtlich der Unterschiede der TCR-Repertoires von TregM und Tconv beim Menschen. / Regulatory T cells (Treg) offer new immunotherapeutic options to control undesired immune reactions, but the heterogeinetiy of Treg raises the question which Treg population should be used for clinical translation Thus, this project involves three main parts: i) investigating Treg frequency and subsets distribution with age in healthy donors and transplant (Tx) patients; ii) comparing the suppressive capacity of Treg subsets and expanding them in vitro without losing functionality; iii) clarifyjing the differiation relationship of Treg subsets and their relation to conventional T cells (Tconv) by T cell receptor (TCR) repertoire analysis. From both healthy donors and Tx patients, an age-dependent shift from naïve Treg (TregN) to the dominant central-memory Treg (TregCM) was observed,; However,Treg in Tx patients contained more effector-memory EM cells, , and they were pre-activated due to the exposure to allo antigens,. Regarding control of early Tconv activation, TregCM showed enhanced suppressive capacity compared to TregN; furthermore, only TregCM could induce apoptosis of responder cells while TregN could not, which may result from thehigherexpression of cytotoxic T-lymphocyte antigen 4 (CTLA-4) on TregM. Following in vitro expansion of the Treg subsets, however, TregN converted mainly into TregCM phenotype with enhanced suppression activity. The poor proliferation capacity of TregEM might indicate EM as the terminal differential stage. These data suggest that expansion with total Treg is optimal for adoptive Treg therapy as the majority of them are the highly potent TregCM. Lastly, TCR repertoire study by next generation sequencing (NGS) indicate that TregM derived from TregN rather than Tconv in an antigen-driven process. The highest similarity of the TCR repertoires was observed between TregCM and TregEM. These data reveal new insights for the first time into the distinct TCR repertoires of Treg subsets and Tconv in human by NGS technology.

T-Zellrezeptor (TZR)-Gentherapie zeigte erste Erfolge in klinischen Studien, jedoch wurden gleichzeitig Risikofaktoren deutlich. Ein Risikofaktor ist das falsche Paaren der transferierten TZR-Ketten mit den endogenen, was zu TZR-Molekülen von unbekannter Spezifität führt und die Oberflächenexpression und somit auch die Funktionalität des transgenen TZR reduziert. Dieser Aspekt wurde in generierten T-Zellklonen mit einer konstitutiven/endogenen TZR-Expression sowie einer zweiten induzierbaren/transgenen TZR-Expression untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Induktion der transgenen TZR-Expression der endogene TZR seine Funktionalität verlor, obwohl er noch auf der Oberfläche detektierbar war. Als Ursachen wurden neben einer reduzierten Oberflächenexpression des endogenen TZR auch falsch gepaarte TZR-Moleküle, die mit Hilfe der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Methode detektiert wurden, gefunden. Die Modifikation des TZR durch den Einbau einer zweiten Cystein-Brücke, was das Paaren der korrespondierenden TZR-Ketten stabilisieren soll, führte in den T-Zellklonen zu keiner Reduktion der falsch-paarenden TZR-Moleküle. In primären Wildtyp-T-Zellen verbesserte sich das richtige Paaren des transgenen TZR leicht und konnte durch Codon-Optimierung der TZR-Gene weiter verbessert werden. Der zweite untersuchte Risikofaktor ist die Insertionsmutagenese durch den retroviralen Vektor. Die sichere Verwendbarkeit von differenzierten T-Zellen für die TZR-Gentherapie wurde in einem Tiermodel mit wiederholter T-Zellstimulierung, um weitere Mutationen während der Zellteilung zu provozieren, analysiert. Im Laufe der Zeit reicherten sich die transferierten T-Zellen in den Tieren dramatisch an, aber entwickelten sich nicht zu T-Zelllymphomen. Die Proliferationskapazität und die Funktionalität der transferierten T-Zellen wurden bestätigt. Die Polyklonalität der TZR-gen-modifizierten T-Zellen wurde mit Hilfe der linear-amplifizierten Polymerasekettenreaktion nachgewiesen. / T cell receptor (TCR) gene therapy is a new therapy for cancer which showed first clinical success but at the same time risk factors evolved. One risk factor is the mispairing of the TCR chains with the endogenous TCR chains which leads to TCRs with unknown specificities and to a reduced expression and functionality of the transferred TCR. This aspect was analyzed in dual TCR T cell clones which had one constitutive/endogenous TCR expression as well as a second inducible/transgenic TCR expression. It could be shown that the endogenous TCR lost its functionality after induction of the transgenic TCR expression although it was still detectable on the cell surface. The reason was found in the lower surface expression level of the endogenous TCR as well as in mispaired TCR dimers detected by fluorescence resonance energy transfer (FRET) technique. Modification of the TCR by insertion of a second cysteine bridge which should stabilize the pairing of the corresponding TCR chains did not reduce the TCR mispairing in the T cell clones. In primary wild-type cells, the pairing of the transgenic TCR improved slightly and could be further improved by codon-optimization of the TCR genes. The second analyzed possible side effect of TCR gene therapy is the insertional mutagenesis by the retroviral vector. The safety of differentiated T cells for TCR gene therapy was analyzed in an animal model with a repetitive T cell stimulation to provide the opportunity for mutations to occur during cell division. Over time, transferred T cells increased dramatically in the recipient mice, but did not lead to T cell lymphomas. The proliferative capacity and the functionality of transferred T cells were confirmed. The polyclonality of the TCR gene-modified T cells could be confirmed by linear amplification-mediated polymerase-chain reaction.

Monoklonale Antikörper (mAk) werden bereits erfolgreich zur therapeutischen Depletion verschiedener Zellpopulationen in vivo verwendet, die Mechanismen der Depletion sind jedoch unklar geblieben. In dieser Arbeit wurden im Mausmodell die molekularen Grundlagen der CD4+ T-Zelldepletion (CD4 TZD) nach einmaliger Gabe (i.p.) von 100 µg des anti-CD4-mAk YTS191.1 untersucht. Dabei konnte eine starke Korrelation zwischen Depletion und der Modulation des CD4-Moleküls von der Oberfläche beobachtet werden. Gleichzeitig zeigten sich organabhängige Unterschiede, sowohl im zeitlichen Verlauf, als auch in der Effizienz der Depletion. Im Thymus konnten weder Depletion noch Modulation detektiert werden, in Milz und Lymphknoten (Lk) war die CD4 TZD nach starker CD4-Modulation bereits nach 48 h mit 80-90 % maximal, in den Peyer-Plaques jedoch niedriger und verzögert (50-60 % nach 72 h). Anhand C3-defizienter Mäuse konnte ferner kein wesentlicher Beitrag von Komplement an der CD4 TZD beobachtet werden. Im Gegensatz dazu konnte durch die Verwendung verschiedener FcGamma-Rezeptor (FcGammaR)-defizienter Mäuse (FcGammaRI, FcGammaRII, FcGammaRIII, FcGammaRI/III und FcRGamma) wie auch durch die Blockade des FcGammaRIV eine starke, zudem organabhängige Beteiligung von FcGammaR an der CD4 TZD gezeigt werden. Während in der Milz die CD4 TZD von FcGammaRIV vermittelt wurde, waren in den Lk und Peyer-Plaques FcGammaRI/III involviert. Diese Befunde korrelierten mit der starken Expression von FcGammaRIV in Milz, Lunge, Darm, Niere und Leber, während in den Lk nur eine schwache und in Thymus und Peyer-Plaques keine Expression detektiert werden konnte. Innerhalb der Milz konnten erstmalig F4/80hoch Makrophagen als FcGammaRIV+ identifiziert und somit als potenzielle Effektorzellen der CD4 TZD bestimmt werden. Der direkte Vergleich der Depletion von CD4+ T-Zellen mit der Depletion von ICOS+ T-Zellen verdeutlichte darüber hinaus, dass die Effizienz der Zelldepletion nicht nur von den Eigenschaften des verwendeten mAk, sondern auch von denen des Zielmoleküls abhängig ist. / Monoclonal antibodies (mAb) are efficiently used for the therapeutic depletion of various cells in vivo yet the mechanisms of depletion are still unclear. In this work, the molecular principles of CD4+ T cell depletion (CD4 Tcd) by a single application of 100 µg of the anti-CD4 mAb YTS191.1.1 were investigated in the mouse. A strong correlation between the depletion and the surface modulation of the CD4 molecule could be observed. At the same time, organ-dependent differences in the kinetics as well as in the efficiency of depletion could be detected. In the thymus, neither modulation nor depletion were detectable. In the spleen and the lymph nodes (Ln), the modulation was strong and the depletion was maximal (80-90%) 48 h after mAb treatment. Interestingly, both modulation and depletion were decreased and delayed (50-60% after 72 h) in the Peyer`s patches. By using C3-deficient mice, no major contribution of complement to the CD4 Tcd was seen. On the contrary, with the help of different FcGamma-receptor (FcGammaR)-deficient mice (FcGammaRI, FcGammaRII, FcGammaRIII, FcGammaRI/III, and FcRGamma) and through the blockade of FcGammaRIV, a strong organ dependent involvement of FcGammaR could be shown. While the depletion in the spleen was clearly dependent on FcGammaRIV, in the Ln and the Peyer`s patches, FcGammaRI/III were involved. These findings correlated with the strong expression of FcGammaRIV in the spleen, the lung, the colon, the kidney, and the liver, while in the Ln the expression was weak and undetectable in the thymus and the Peyer`s patches. For the first time, F4/80high macrophages in the spleen could be identified as also being FcGammaRIV+, and are therfore considered as the potential effector cells of the CD4 Tcd. The direct comparison of the depletion of T cells via CD4 or ICOS pointed out that the target cell depletion is not only dependent on the properties of the mAb used, but also on those of the target molecule.