Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese eindimensionaler Nanoröhren basierend auf leichten Elementen. Inspiriert von Kohlenstoff Nanoröhren werden Interessante Eigenschafte für diese Materialien erwartet. Aktuell ist die Synthese solcher Kohlenstoff Nanorohren nur mit vergleichsweise aufwendigen Methoden möglich. Hierbei stellt besonders die uniforme Synthese von Röhren mit exakt gleichen Durchmessern und Symmetrien ein noch ungelöstes Problem dar. Durch diese Arbeit erhofften wir uns eine völlig neue Arte der Synthese für solche 1D Nanomaterialien zu etablieren. Dazu wurden in Kapitel 2 und 3 zwei verschiedene Typen von gespannten aromatischen Makrozyklen synthetisiert. Die synthetisierten Makrozyklen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Funktionalisierung aus, welcher zukünftig dazu genutzt werden soll die Prinzipien der dynamisch kovalenten Chemie in der finalen Materialsynthese anzuwenden. Der durch die Funktionalisierung erzeugte innere Hohlraum dieser zyklischen Verbindungen lässt sich nutzen, um verschiedene molekulare Gäste zu binden. Die Erkenntnisse in Bezug auf die Synthese solcher Makrozyklen, die hierbei erzielt wurden, werden entscheidend dazu beitragen, dass anfänglich beschriebene Ziel der nasschemischen Synthese 1D organischer Nanoröhren in Zukunft zu erreichen. Die Methoden, der Makrozyklisierung sollten in Kapitel 4 dazu genutzt werden einen chiralen aromatischen Makrozyklus auf Basis von [5]Helicen-Untereinheiten zu synthetisieren, allerdings ohne Erfolg. Stattdessen wurde ein Nebenprodukt isoliert, dass sich als bisher unbekannter molekulare Schalter erwies. Dieser Schalter erlaubt es durch Bestrahlung bei tiefen Temperaturen reversibel ein paramagnetisches Isomer zu erzeugen. Dadurch eröffnet sich eine völlig neue Klasse an molekularen Schaltern, deren Anwendungspotential den Rahmen dieser Arbeit überschreitet. / The aim of this work was the synthesis of one-dimensional nanotubes based on light elements. Inspired by carbon nanotubes, interesting properties for these materials are expected. Currently, the synthesis of such carbon nanotubes is only possible with comparatively complex methods. Especially the uniform synthesis of tubes with exactly the same diameters and symmetries is still an unsolved problem. Through this work we hoped to establish a completely new way of synthesis for such 1D nanomaterials. To this end, two different types of strained aromatic macrocycles were synthesized in Chapters 2 and 3. The synthesized macrocycles are characterized by a high degree of functionalization, which will be used in the future to apply the principles of dynamic covalent chemistry in the final material synthesis. The internal cavity of these cyclic compounds created by functionalization can be used to bind various molecular guests. The knowledge regarding the synthesis of such macrocycles obtained here will be instrumental in achieving the initially described goal of wet chemical synthesis of 1D organic nanotubes in the future. The methods of macrocyclization were to be used in Chapter 4 to synthesize a chiral aromatic macrocycle based on [5]helicene subunits, but without success. Instead, a byproduct was isolated that proved to be a previously unknown molecular switch. This switch allows reversible generation of a paramagnetic isomer by irradiation at low temperatures. This opens up a completely new class of molecular switches whose potential applications are beyond the scope of this work.

Bisher gibt es keine effektive Impfung gegen Malaria und der beste immunologische Schutz wird durch wiederholte intravenöse Injektion von nicht-vermehrungsfähigen Sporozoiten erreicht. Im Gegensatz dazu bietet die Infektion im Blutstadium nur eine Teilimmunität gegen schwere Verläufe der Krankheit. Um beide Prozesse besser zu verstehen, ist eine tiefgehende Untersuchung der Reaktion des angeborenen Immunsystems auf Sporozoiten, sowie Parasiten im Blutstadium erforderlich. Erkenntnisse hieraus können dabei helfen, die Überlegenheit des Sporozoiten-Impfstoffs zu verstehen und, letztendlich, seine Wirksamkeit in einem sichereren, kostengünstigeren und skalierbaren Impfstoff zu rekapitulieren. Um sterile Sporozoiten aus Mückenprärationen für in-vitro experimente zu gewinnen, wurden die Parasiten FACS sortiert und anschließend mit Makrophagen co-kultivert. RNA Sequenzierung der Makrophagen, zeigte ein von Sporozoiten induziertes Expressionsprofil, das durch die Expression von inflammatorischen Genen gekennzeichnet ist. Insbesondere CD201 wurde auf Makrophagen stark hochreguliert und könnte eine Rolle bei der gamma-delta T-Zell-Aktivierung spielen. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Aktivierung von Makrophagen durch Sporozoiten teilweise von TLR2 und MyD88 abhängig ist. Interessanterweise waren die genetischen Signaturen „Reaktion auf Verwundung" und „Makroautophagie" in Makrophagen überrepräsentiert die mit Sporozoiten co-kultiviert wurden und sind wahrscheinlich Folgen von aktiver Sporozoiten-Traversierung durch Makrophagen. In der Tat zeigten Mäuse, die mit Traversierungs-defizienten Sporozoiten geimpft wurden stark reduzierte CD8 T-Zell Antworten. Dies deutet auf eine mögliche Rolle der Zelltraversion bei der Induktion effektiver adaptiver Immunantworten hin. Insgesamt tragen diese Ergebnisse zu dem Verständnis der angeborenen Immunantwort auf Plasmodium-Parasiten bei und bieten weitere Möglichkeiten zur zukünftigen Forschung. / Effective vaccination against malaria remains a critical element in the effort to eradicate the disease. So far, best protection is induced by repeated intravenous injection of irradiated, non-replicating sporozoites. In contrast, blood stage infection only affords semi-immunity after several disease episodes are endured. Therefore, in-depth analyses of innate immune responses to sporozoite and blood stage parasites are needed to understand the superiority of the attenuated sporozoite vaccine and ultimately, to recapitulate its efficacy in a safer, cheaper and more practical vaccine. To probe sporozoite-induced innate cell activation, parasites were flow sorted from salivary gland extracts. In a reductionist system, sorted P. berghei sporozoites were co-cultured with primary mouse macrophages. Transcriptomic analysis of sporozoite-experienced macrophages revealed a distinct expression profile characterized by NF-κB driven expression of inflammatory mediators. In particular, CD201, a CD1d-like transmembrane receptor with lipid presentation capabilities, was strongly upregulated on macrophages and might play a role in gamma-delta T-cell activation. In addition, first evidence is provided that macrophage activation by sporozoites is partly dependent on TLR2 and MyD88. Intriguingly, ‘response to wounding’ and ‘macroautophagy’ signatures were enriched in sporozoite-stimulated macrophages and are likely consequences of active sporozoite traversal through innate cells. Indeed, in vivo vaccination with spect1 knockout sporozoites, which are deficient in cell traversal, induced a defective CD8 T-cell response, showcasing a potential role for cell traversal in the induction of effective adaptive responses. Taken together, these findings open up several interesting avenues for future research which will paint a clearer picture of innate immune responses to Plasmodium parasites.

Das Protozoon Giardia duodenalis ist eine der Hauptursachen für infektiöse Magen-Darm-Erkrankungen. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen sind jedoch nach wie vor unklar. Um die Pathogenität G. duodenalis‘ untersuchen zu können, wird ein Modellsystem benötigt, dass die Komplexität des Darmepithels widerspiegelt. Diese Arbeit zeigt die Etablierung eines Zellkultursystems auf der Basis von organoid-abgeleiteten Epithelien unter Verwendung von filter-basierten Zellkultureinsätzen. Wir haben Protokolle für die Etablierung von organoid-basierten Zellkulturen (ODMs) vier verschiedener Wirte zoonotischer Protozoen unter Verwendung eines einzigen Protokolls erstellt. Die Charakterisierung zeigte, dass das Modellsystem erfolgreich die Polarisierung des Darmepithels nachahmt, aus mehreren Zelltypen besteht und eine Infektion ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Analyse der durch G. duodenalis induzierten Barrierestörung in ODMs auf Transkriptions-, Protein- und Funktionsebene. Die Infektion von humanen duodenalen Zellen führte zu einem Verlust der epithelialen Barrierefunktion. Mit Hilfe des transepithelialen elektrischen Widerstandes und Dextran Flux wurde eine Erhöhung der Barrieredurchlässigkeit beobachtet. Die Hemmung von zuvor in immortalisierten Zellmodellen beschriebenen Reaktionswegen konnte die Barrierefunktion nicht wiederherstellen. Stattdessen konnten Veränderungen der Ionenhomöostase sowie den Zusammenbruch der zonula occludens nachgewiesen werden. Der beobachtete Phänotyp konnte auf die Aktivierung des cAMP/PKA/CREB-Signalwegs, als einen von mehreren kausalen Faktoren, zurückgeführt werden. Hier zeigen wir die Etablierung eines aus Organoiden abgeleiteten Modells, das die Untersuchung von G. duodenalis Infektionen in vitro ermöglicht. Mit unserem Modell konnten wir eine neue Reihenfolge von Ereignissen entschlüsseln, die einen der Faktoren während symptomatischer Giardiasis darstellt. / The protozoan Giardia duodenalis is a one of the major causes of gastrointestinal illness. Underlying pathomechanisms remain unclear. An in vitro model system that also mimics the complexity of intestinal epithelium is needed to allow pathogenicity studies. This thesis shows the establishment of a cell culture system based on organoid-derived epithelia using permeable cell culture inserts. We have provided guidelines on the establishment of organoid-derived monolayers (ODMs) of four different hosts of zoonotic protozoa using a single protocol. Characterization showed that the model system successfully mimics intestinal polarization, is composed of multiple cell types and allows for infection with multiple protozoan parasites. As the main focus of the thesis, analysis of G. duodenalis-induced barrier breakdown in ODMs was performed on transcriptional, protein and functional level. Infection of human duodenal, organoid-derived monolayers resulted in a time- and dose-dependent breakdown of epithelial barrier function. Barrier permeability increases were observed ranging from ions to macromolecules as measured by transepithelial electrical resistance and Dextran flux. Inhibition of previously proposed key pathogen-induced pathways observed in immortalized cell models did not rescue barrier dysfunction. We could instead show changes in ion homeostasis, and tight junctional breakdown. While none of the previously proposed effector pathways appeared to be responsible, we could pin-point the observed phenotype to activation of the cAMP/PKA/CREB signaling pathway, as one of the factors of the multifactorial barrier breakdown. The establishment of an organoid-derived infection model is shown, allowing the study of in vitro Giardia duodenalis infections. Using this model, we could decipher a new series of events that may be one of the factors causing the intestinal barrier breakdown observed in symptomatic Giardiasis.

Artenübergreifende Interaktionen helfen uns, Krankheitsmechanismen zu verstehen und Targets für Therapien zu finden. Die Koexpression von Genen, gemessen an der mRNA-Häufigkeit, kann Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen aufzeigen. Die RNA-Sequenzierung von Wirt und Pathogen wird als "duale RNA-Sequenzierung" bezeichnet. Malaria ist eine der am besten untersuchten parasitären Krankheiten, so dass eine Fülle von RNA-seq-Datensätzen öffentlich zugänglich ist. Die Autoren führen entweder duale RNA-seq durch, um den Wirt und den Parasiten gleichzeitig zu untersuchen, oder sie erhalten kontaminierende Sequenzierungs-Reads aus dem Nicht-Zielorganismus. Ich habe eine Meta-Analyse durchgeführt, bei diese beiden Arten von RNA-seq-Studien verwendet wurden, um über korrelierte Genexpression auf Wirt-Parasit-Interaktionen zu schließen. Ich habe Studien mit Homo sapiens, Mus musculus und Macaca mulatta als Wirte und ihre Plasmodium-Parasiten einbezogen. Ich benutzte orthologe Einzelkopien von Genen, um ein Repertoire von Interaktionen bei Malaria und in diesen Modellsystemen zu erstellen. Ich verknüpfte die Daten von 63 Plasmodium-Phasen-spezifischen Studien und reduzierte die Zahl der Interaktionen von potenziell 56 Millionen auf eine kleinere, relevantere Menge. Die Zentralität in den Netzwerken der Blutphasen konnte die Essentialität der Plasmodium-Gene erklären. Das aus den verketteten Daten sagte die Genessenzialität besser vor als die einzelnen Studien - ein Vorteil der Meta-Analyse. Neutrophile und Monozyten Immunmarkergene waren überrepräsentiert, was auf eine Fülle von phagozytären und respiratorischen Reaktionen hindeutet. Die Analyse der Leberphase ergab Wirts- und Parasitenprozesse in frühen und späten Entwicklungsphasen. Ich fand bekannte Wirt-Parasit-Interaktionen, die für beide Phasen gleich sind, sowie bisher unbekannte Interaktionen. Dieses Prinzip lässt sich auch auf andere Krankheiten anwenden, um Mechanismen und therapeutische Ziele zu verstehen. / Cross-species interactions help us understand disease mechanisms and find targets for therapy. Gene co-expression, measured by mRNA abundance, can identify host-pathogen interactions. The RNA-sequencing of host and pathogen is termed “dual RNA-sequencing”. Malaria is one of the most studied eukayotic parasitic diseases, making an abundance of RNA-seq data sets publicly available. Authors either perform dual RNA-seq to study the host and parasite simultaneously or acquire contaminant sequencing reads from the non-target organism. I performed a meta-analysis using these two kinds of RNA-seq studies to infer host-parasite interactions using correlated gene expression. I included studies of Homo sapiens, Mus musculus and Macaca mulatta as hosts and their corresponding Plasmodium parasites. I used single-copy orthologous genes to generate a repertoire of interactions in human malaria and in these model systems. I found 63 malaria RNA-seq studies. I concatenated sequencing runs from Plasmodium stage-specific studies and reduced the number of interactions from a potential 56 million to a smaller, more relevant set. Centrality in the blood stage networks was able to explain Plasmodium gene essentiality. The network from the concatenated data predicted gene essentiality better than the individual studies, indicating a benefit of the meta-analysis. Immune marker genes for neutrophils and monocytes were over-represented, suggesting an abundance of phagocytic and respiratory burst-related responses. The liver stage analysis revealed linked host and parasite processes at early stages until late developmental stages. I found linked host and parasite processes that are common to the two stages, e.g. parasite cell gliding and invasion and host response to hypoxia and immune response. I showed that existing data can be explored for new information. This principle can be applied to other diseases to understand mechanisms and therapeutic targets.

Die Epithelzellen des Dünndarms bilden die Hauptinfektionsroute für viele Protozoen wie zum Beispiel Toxoplasma gondii und Giardia duodenalis. Jedoch sind die Mechanismen dieser Infektionswege unbekannt, da geeignete Modelle fehlen, welche das Darmepithel nachbilden. In der folgenden Studie wurde eine in-vitro Plattform mit Darmorganoiden (organoid derived monolayers oder ODMs) etabliert, welche man für vergleichende Studien zu Parasit-Wirt-Interaktionen anwenden kann. Das ODM-System wurde angewendet, um die Anfangsphase einer T. gondii-Infektion zu modellieren, wobei der Schwerpunkt auf die Rolle von Interferon gamma (IFNγ) und immunitätsbezogenen GTPasen (Irgs) lag. Es wurde gezeigt, dass sich die Irg-abhängige Kontrolle virulenter Toxoplasma-Stämme zwischen dem Labormausmodell und anderen wildlebenden Nagetierarten unterscheidet. Aus diesem Grund wurden Vergleiche mit Organoiden verschiedener Labormausstämme und der Rötelmaus Myodes glareolus durchgeführt. Myodes glareolus ist eine Nagetierart, von der angenommen wird, dass sie eine höhere Resistenz gegen T. gondii aufweist. Basierend auf die Resultate der quantitativen Immunofluoreszentests und qPCR dieser These, führt die Stimulation mit IFNγ zu einer tendenziell verringerten Replikation der Parasitenstämme RH und Prugniaus in M. glareolus ODMs im Vergleich zu Mus ODMs. In dieser Studie, wurde zum ersten Mal die Rolle von Irgs bei intestinalen T. gondii-Infektionen identifiziert. Zu diesem Zweck wurden Organoide von M. glareolus mit einem fluoreszierend markierten Irgb10-Protein transfiziert, wodurch gezeigt werden konnte, dass Irgb10 T. gondii-Vakuolen dekoriert, was auf eine Beteiligung des Irg-Systems hindeutet. Schließlich wurde ein Koinfektionsmodell für T. gondii und/oder G. Duodenalis in Maus-ODMs etabliert. In diesem Modell wurde gezeigt, dass T. gondii weder die Induktion der Barrierestörung durch G. duodenalis noch die Replikation von T. gondii durch G. duodenalis beeinflusst. / The small intestinal epithelium is the primary route of infection for many protozoan parasites such as Toxoplasma gondii and Giardia duodenalis. Understanding the mechanisms of infection with such parasites, has been hindered due to the lack of appropriate models mimicking the complexity of the intestinal epithelium. Here, an in vitro platform was established, using intestinal organoids (organoid derived monolayers or ODMs) for comparative studies on parasite-host interactions. The ODM system was used to model the events during the early phase of a T. gondii infection, focusing on the role of Interferon gamma (IFNγ) and Immunity Related GTPases (Irgs). Irg dependent control of virulent Toxoplasma strains has been shown to differ between the laboratory mouse model and other wild-derived rodent strains. How these responses occur in rodent species that do not belong to the murine family, is yet to be determined. For this reason, comparisons were made with organoids from different laboratory mice strains and the bank vole Myodes glareolus, a non-muridae rodent species assumed to be more resistant to T. gondii. Based on this thesis, stimulation with IFNγ leads to a trend of reduced replication in M. glareolus ODMs compared to Mus ODMs for both Type I parasite strain RH and for Type II strain Prugniaud, based on quantitative immunofluorescence assays and qPCR. Analysis of the role of Irgs in intestinal T. gondii infections was performed, by transfecting organoids from M. glareolus with a fluorescently labelled Irgb10 protein, showing that Irgb10 decorates T. gondii vacuoles, suggesting Irg-system involvement. Finally, a co-infection model in murine ODMs was established for T. gondii and/or G. Duodenalis. Here, it could be observed that T. gondii did not influence G. duodenalis induction of barrier breakdown nor did G. duodenalis influence T. gondii replication.

Wolbachien sind weitverbreitete bakterielle Symbionten von Arthropoden. Sie werden überwiegend durch maternale Vererbung übertragen, können aber auch horizontal von Art zu Art übertragen werden. Wolbachien sind berüchtigt dafür, die Wirtsreproduktion zu manipulieren, können aber auch Mutualismen mit ihren Wirten evolvieren. In dieser Arbeit untersuche ich, welche Rolle horizontale Transmission und mutualistische Effekte bei der Wolbachien-Pandemie unter Arthropoden spielen. Zunächst schätze ich, dass Millionen Arthropodenarten mit Wolbachien infiziert sind. Um diese erstaunliche Verbreitung zu verstehen, entwickele ich ein Modell zur horizontalen zwischenartlichen Transmission von Wolbachien, das auf epidemiologischer und Netzwerk-Theorie aufbaut. Die Ergebnisse weisen auf die Bedeutung von horizontaler Transmission über große phylogenetische Distanzen hin. Da eine erfolgreiche Transmission wahrscheinlich durch symbionteninduzierte Wirtsvorteile begünstigt wird, betrachte ich dann umfassend und kritisch Wolbachien-Arthropoden-Mutualismen und finde diese in vielfältigen Kontexten, aber nur begrenzt Hinweise auf Wolbachien-induzierten Wirtsschutz. Mithilfe eines populationsgenetischen Modells untersuche ich dann den Einfluss von Wirtsvorteilen auf die Infektionsdynamik von Wolbachien. Erstmalig leite ich Invasionsbedingungen und Gleichgewichtsfrequenzen für Wolbachien-Doppelinfektionen her. Die Ergebnisse bestätigen, dass Wirtsvorteile die Invasion von Wolbachien in neue Wirte erheblich erleichtern. Schließlich untersuche ich die Wechselwirkungen zwischen einer Wolbachien-Infektion und dem Immunsystem des Wirtes, wobei ein Schwerpunkt auf reaktiven Sauerstoffspezies liegt. Ich schlage eine Hypothese vor, die unterschiedliche Immunantworten in neuen und ko-evolvierten Assoziationen erklärt. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dieser Arbeit für einen wesentlichen Anteil von horizontaler Transmission und mutualistischen Effekten an der Wolbachien-Pandemie in Arthropoden. / Wolbachia are widespread bacterial symbionts of arthropods. They are transmitted predominantly via maternal inheritance, but are also able to move between different species (horizontal transmission). Wolbachia are notorious for selfishly interfering with host reproduction, but they can also evolve mutualistic associations with their hosts. In this thesis, we analyze the role of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods. First, we derive an estimate of the number of Wolbachia-infected arthropod species and find that millions of species are infected. In order to explain this striking distribution, we develop a model of Wolbachia horizontal transmission between species, building on epidemiological theory and network theory. Our findings point to the importance of transmission over large phylogenetic distances. Given that successful horizontal transmission is likely to be facilitated by symbiont-induced host benefits, we then perform a comprehensive review of Wolbachia-arthropod mutualisms and find that these occur in diverse contexts, although the evidence of Wolbachia-induced host protection in nature is limited so far. By means of a population genetic model, we then analyze the influence of host benefits on the infection dynamics of Wolbachia. For the first time, we derive invasion conditions and equilibrium frequencies for Wolbachia double infections. Our results corroborate that host benefits substantially facilitate invasion of Wolbachia into novel hosts. Finally, we examine the interactions between Wolbachia infection and the host immune system, with a focus on reactive oxygen species. We propose a hypothesis that explains differential immune responses in novel and coevolved associations. Taken together, the findings presented in this thesis argue for a significant involvement of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods.

Dendritic cells (DCs), a hematopoietic cell type belonging to the sub-group of cells called antigen presenting cells (APCs), inhabit a central role in innate and adaptive immunity. Although the DC family is very heterogeneous, all members share unique features. Most importantly, DCs can stimulate an immune response. This is due to the cells’ ability to capture and process antigens and to maturate in the presence of danger signals presented by pathogens. Maturation in turn results in the migration of DCs from the tissue they reside in to the draining lymph nodes, as well as in the subsequent presentation of the acquired antigens to T cells. In the skin, which is one of the most immunogeneic organs, DCs are present in sizable numbers in both the epidermis and the dermis. This study focused on two types of DCs: epidermal Langerhans cells (LCs) and dermal DCs (DDCs). While much is understood about LCs, far less is known about the role that DDCs play in skin immunity. Therefore one purpose of this study was to characterize DDCs and to compare their phenotype and functions to that of LCs. This study used two different methods to characterize human skin resident immune cells with regard to their number and distribution. First, a stable analytical immunohistochemistry-based method was developed and applied to a substantial number of healthy skin donors. This enabled a quantitative analysis of skin DC types and skin resident T cells at different anatomical locations in situ. A novel method to count dermal cell populations in situ was developed that resulted in the first published quantification of APCs, DDCs, as well as T cells in human dermis. Second, the traditional form of the emigration assay, which selectively enriches vital cells capable of ex vivo emigration from the skin, was upgraded toward a stable analytical method to separate epidermal LCs from DDCs. In this way, both skin DC types became accessible in sufficient numbers to allow for a comparison of phenotypes and functions in vitro. The resulting phenotypic observations clearly showed that both, LCs and DDCs are not fully mature after their emigration ex vivo and that both can be transformed into a phenotypically more mature state by treating them with inflammatory cytokines. What’s more, LCs are also functionally in an immature state after their emigration. They efficiently took up antigen, showed a low capacity to trans-migrate in response to chemokines, and demonstrated a low capacity to stimulate allogeneic T cells in a mixed leukocyte reaction (MLR). For the first time this study observed all these main APC functions not only for LCs but additionally for DDCs. As these observations were made in relation to LCs of the same donor, it could be concluded that DDCs are functionally more mature than LCs after emigration. DDCs showed a lower antigen uptake capacity than LCs but were superior in terms of their migratory and stimulatory capacity. However, treatment with cytokines could skew LC functions toward functional capacities observed for DDCs, i.e., it decreased LCs’ Ag uptake and increased their migratory and stimulatory capacity, whereas the cytokine treatment did not alter DDCs’ functional capacities. After improving immuno-histochemistry and the emigration assay using healthy skin samples, these newly developed techniques were implemented in clinical trials to observe the number, distribution and migratory capacity of skin DCs and T cells in patients undergoing allogeneic hematopoietic cell transplantation (aHSCT). Such a study is of importance because the turnover of DCs and T cells is closely associated with the occurrence of acute graft-versus-host disease (aGvHD), the major cause of morbidity and mortality after aHSCT. Due to the study design used, this study concisely demonstrate that at the onset of aGvHD, different DC types accumulate along with effector T cells in skin lesions of aGvHD but not in uninvolved skin of the same patient. These results suggest that in addition to donor T cells LCs and DDCs play a role during the early phase of cutaneous aGvHD directly within the site of inflammation. The view of many authors that DC depletion in the transplant recipient, especially in target organs, is a promising approach for aGvHD prophylaxis and therapy is further underscored by these results. One targeting strategy to inhibit GvHD by eliminating recipient DCs may be the use of DC specific monoclonal antibodies. Alemtuzumab (anti-CD52) is a monoclonal antibody and has proven effective in preventing aGvHD after aHSCT. It may, despite depleting donor T cells, also work by targeting recipient DCs. To determine whether the last mechanism of action is significant, a second clinical study investigated the effects of intravenous alemtuzumab on DCs by comparing the number of these cells in skin and blood of patients before and after a 4-week course of alemtuzumab treatment. The result was that although skin DCs weakly express the target antigen CD52 the number of these cells was not consistently reduced by alemtuzumab. In contrast, circulating blood DCs have a stronger CD52 expression and were significantly reduced by the treatment. In conclusion, this work provides new insights into the phenotypical and functional characteristics of human skin DCs, as well as into the fate of these cell types during aHSCT. The investigation of the APC system during aGvHD as carried out here will help to understand the process of aGvHD in more detail. All these efforts may hopefully support the development of new approaches for therapy and prevention of this major limitation of aHSCT and may help to improve this only curative therapy for several life-threatening diseases.

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Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese neuartiger Hybridmaterialien basierend auf der Einlagerung optischer Materialien, wie Farbstoffmoleküle und Metallnanopartikel, in anorganische Wirtsmaterialien mit definierten Porenstrukturen. Hierfür wurden mikro- und mesoporöse alumosilikatische Verbindungen, wie z.B. Zeolithe und Vertreter aus der Familie der sogenannten „Mobile Composition of Matter“ (MCM), verwendet. Mit Hilfe dieses Konzeptes konnte z.B. der Einfluss der Wirtsmaterialien hinsichtlich ihrer Porengrößen und inneren Polarität auf die optischen Eigenschaften von photochromen Naphthopyranfarbstoffen untersucht werden. Neue photochrome Kompositmaterialien, welche sich durch einfache industrielle Prozesse, wie z.B. der Extrusion in eine Polymermatrix, weiterverarbeiten lassen, wurden auf diesem Wege synthetisiert. Durch die Einkapselung eines solvatochromen Spiropyranderivats innerhalb der Superkäfige von Faujasiten konnten Rückschlüsse auf die Polaritätsparameter der äußeren und inneren Oberfläche der Molekularsiebe gewonnen werden. Zudem wurde ein neues Synthesekonzept zur Herstellung fluoreszierender Silbernanopartikel innerhalb eines Zeolith Y entwickelt, um auf sehr einfachem Weg ein stabiles Material mit interessanten Fluoreszenzeigenschaften zu erhalten. Der Einfluss der Wirtsoberfläche auf fluoreszierende Farbstoffe wurde des Weiteren an Benzylidenketonfarbstoffen untersucht, die mittels „Ship in a Bottle reaction“ in Zeolith Y eingekapselt wurden. Um das Konzept zur Synthese optischer Effektpigmente zu erweitern, wurden neue photochrome Naphthopyrane, welche in Konjugation zu fluoreszierenden Farbstoffen stehen, synthetisiert und untersucht.

The demand for multifunctional nanocontainers possessing both recognition ability and responsive nature is increasing greatly because of their high potential in various biomedical applications. The engineering of such smart nanovesicles is useful to enhance the efficiency of many therapeutic and diagnostic tools that have the applicability in targeted drug delivery systems as well as designing sensing devices or conducting selective reactions as nanoreactors in the scope of nanobiotechnology. For this purpose, this study demonstrates the formation of multifunctional and stimuli-responsive polymersomes comprising various abilities including pH and light sensitivity as well as many reactive groups with sufficient accessibility to be used as smart and recognitive nanocontainers. The fabrication included several steps starting from the synthesis of azide and adamantane terminated block copolymers, which were then self-assembled to prepare the polymersomes with the corresponding functional groups for the subsequent post-conjugations at the vesicle periphery. The accessible and sufficiently reactive groups were quantitatively proven when UV and IR cleavable NVOC protected amino groups as well as β-cyclodextrin molecules were conjugated to the pre-formed polymersomes through click chemistry and strong host-guest complexations. The gained light responsivity with the aid of successful NVOC attachment enabled further selective photochemical reactions triggered either by UV or NIR light leading to liberated amine groups on the polymersome surface. Therein, these released amino groups were further conjugated with a model fluorescent compound as mimicking the attachment of biorecognition elements to see the direct picture of the applicability. To realize this concept in a more localized and selective way as well as to avoid the possible side effects of UV light, the NIR-light induced photochemical reactions and further dye coupling were performed when polymersomes were immobilized onto solid substrates. This fixation was achieved by adapting the host-guest chemistry into this part and conjugating the adamantane decorated polymersomes onto β-cyclodextrin coated substrates. Several investigations including adhesion behavior, pH sensitivity and mechanical properties of the established multifunctional polymersomes under liquid phase have been performed. It has been found that the polymersome shape is highly dependent on the attractive forces of the substrate and needs to be optimized to avoid the flattening of the vesicles. For these optimization steps, different conditions were investigated including the decrease of cyclodextrin amount and additional surface passivation with PEG molecules on the solid substrates. Besides, the calculated Young’s and bending modulus of the polymersome membrane from AFM measurements showed a robust but still flexible “breathable” membrane which is an important criterion for the applicability of these smart and stable vesicles. In addition, the hosting ability as well as diffusion limits and sufficient membrane permeability of the polymersomes were observed by encapsulating gold nanoparticles as a smart cargo and doxorubicin molecules as an anticancer drug. In conclusion, the established multifunctional polymersomes are highly versatile and thus present new opportunities in the design of targeted and selective recognition systems which is highly interesting for various applications including development of microsystem devices, design of chemo/biosensors, and also for conducting enhanced, combined therapy in the field of drug delivery.