In dieser Arbeit wurden zwei serologische Teste zur Unterscheidung inzidenter und prävalenter Proben etabliert und validiert, welche auf der Reifung des Immunsystems in der frühen HIV-Infektion basieren. Im BED-ELISA werden anhand von anti-HIV-gp41-spezifischen IgG-Antikörperspiegeln die Proben klassifiziert. Die Aviditäts-Methode (AI) unterscheidet die Bindungsfähigkeit der Antikörper an spezifische Antigene. Das Probenpanel wurde in einem weiteren Inzidenztest, dem IDE-V3-ELISA (Kooperation F. Barin), gemessen welcher den Anstieg der Antikörperreaktivität gegen zwei verschiedene immundominante Epitope nutzt. Wirtsspezifische Marker und virale Eigenschaften wurden untersucht, um Merkmale zu identifizieren, welche die Sensitivität und Spezifität der Teste verbessern könnten. Mit dem BED-ELISA wurde eine Pilotstudie unter Berliner HIV-Patienten durchgeführt. Zur Vereinfachung des Probentransports in Studien wurde der Einfluss einer Filtertrocknung der Plasmaproben auf die Infektiosität von HIV, Stabilität der HIV-RNA und die Antikörperreaktivität im BED-ELISA untersucht. In den Testen wurden inzidente Plasmaproben mit folgenden Sensitivitäten und Spezifitäten richtig klassifiziert: 80% und 86% (BED-ELISA); 74% und 82% (AI); 73% und 84% (IDE-V3). Von allen untersuchten wirtsspezifischen Faktoren korrelierte nur der Gehalt an Antikörpern der IgG3-Subklasse mit der Fehlklassifikation der Proben. Für die Pilotstudie wurden zwischen Feb. 2005 und Nov. 2007 von 132 erstmalig HIV-1 positiv diagnostizierten Patienten Proben genommen und im BED-ELISA analysiert (51% Anteil inzidente Infektionen). Die Antikörperreaktivitäten blieben nach der Filtertrocknung erhalten, so das auf der Grundlage der Ergebnisse eine deutschlandweite Inzidenzstudie mit Filter-getrockneten Plasmaproben geplant wurde, die seit Januar 2008 im Auftrag des BMG zur Verbesserung der Datenlage zur HIV-Inzidenz in Deutschland durchgeführt wird. / In this PhD thesis two methods that can differentiate between incident and prevalent infections were established and validated. Both tests are based on the maturation of the immune system during early HIV-infection. The BED-ELISA uses anti-HIV-gp41 specific IgG-antibody levels for differentiation. The avidity method (AI) is based on the binding-capacity of the antibodies to specific antigens in the presence of a chaotropic agent. The sample panel was also evaluated using an additional incidence ELISA, the IDE-V3-ELISA (cooperation with F. Barin). This test is also based on the antibody''s reactivity to two different immune dominant epitopes, allowing incident and prevalent infections to be differentiated. Host specific factors and viral determinants were analysed to provide information that could lead to improvements in the sensitivity and specificity of the incidence tests. With the BED-ELISA a pilot study with HIV-infected patients in Berlin was carried out. The inactivation of HIV-1 after filter-drying of samples, the stability of viral RNA and reactivity of antibodies in the BED-ELISA were analysed to simplify the transport of samples in future studies. Incident plasma samples were identified correctly with following sensitivities and specificity’s: 80% and 86% (BED-ELISA); 74% and 82% (AI); 73% and 84% (IDE-V3). Of all host factors analysed, only the titre of IgG3-antibodies correlated with the incorrect classification of samples. In the pilot study samples from 132 newly diagnosed HIV-positive patients were obtained between February 2005 and November 2007 and analysed in the BED-ELISA (51% proportion of incident infections). It could be shown that filter-drying of plasma samples rendered HIV non-infectious but did not influence antibody reactivity. Based on these results, a German HIV incidence study using filter-dried plasma samples, designed to improve knowledge of HIV-incidence in Germany, was sponsored by the BMG and has been ongoing since January 2008.

Die Transplantation von porzinen Organen könnte eine Lösung des akuten Mangels von Allotransplantaten in der Transplantationsmedizin darstellen. Bevor die Xenotransplantation klinische Realität werden kann, sind jedoch zahlreiche Hürden zu überwinden. Insbesondere die mögliche Übertragung porziner endogener Retroviren (PERVs), die integraler Bestandteil des porzinen Genoms sind, stellt ein mikrobiologisches Risiko dar. PERVs können humane Zellen in vitro produktiv infizieren. Mögliche Strategien zur Abwehr von Xenosen sind die Verwendung von PERV-knockout Tieren oder die Entwicklung eines effektiven Impfstoffes, durch den der Transplantatrezipient vor einer möglichen Übertragung geschützt werden kann. Dazu wurden Antiseren gegen die Hauptstrukturproteine von PERV generiert. Es konnte gezeigt werden, dass in Ziegen und Ratten durch Immunisierung mit der rekombinant generiereten Ektodomäne des transmembranen Hüllprotein p15E neutralisierende Antikörper induziert werden konnten. Die Epitopkartierung der induzierten Antikörper zeigt eine Bindung an eine Domäne im N-terminalen, nahe des Fusionspeptids (E1, GPQQLEK) und eine Domäne im C-terminalen, membranproximalen (E2, FEGWFN) Bereich der p15E-Ektodomäne. Diese Sequenzen sind in allen PERVs identisch und innerhalb der Gammaretroviren hochkonserviert. Aus AIDS-Patienten isolierte neutralisierende Antikörper (mAb2F5: ELDKWA, mAb4E10: LWNWFN) binden ebenfalls an den C-terminalen Bereich der Ektodomäne des Transmembranproteins gp41. Der Bindungsmechannismus dieser Antikörper wurde in ELISA-Experimenten und in vitro-Inhibitionsassays analysiert. Die Ergebnisse legen die Bindung eines Konformationsepitopes nahe, das aus der E1 und der E2 Domäne gebildet wird. Die Aufklärung des Bindungsmechnismus breit neutralisierender Antikörper gegen Transmembranproteine von Retroviren könnte die Basis für neue Impfstoffansätze darstellen. / Porcine xenotransplants may offer a potential solution to the problem posed by the limited supply of allotransplants. However, xenotransplantation may be associated with the risk of transmission of microorganisms, in particular of porcine endogenous retroviruses (PERVs) that are an integral part of the porcine genome and able to infect human cells in vitro. Possible strategies to prevent virus transmission include the development of PERV knockout animals or of effective vaccines. When antisera prepared against the main structural proteins of PERV were screened, goat and rat antisera against the recombinant ectodomain of the transmembrane envelope protein p15E were found to neutralize PERV infectivity. Epitope mapping using overlapping peptides revealed two epitopes, one near the fusion peptide (E1, GPQQLEK) and the other near the transmembrane domain (E2, FEGWFN). These sequences are identical for all PERVs and are highly conserved among all gammaretroviruses. Interestingly, neutralizing antibodies isolated from AIDS patients that recognize regions partially homologous with E2 (mAb4E10, LWNWFN) or located in close proximity to E2 (mAb2F5, ELDKWA) are known to neutralize a broad range of HIV-1 strains. The binding mechanisms of these HIV neutralizing antibodies were analyzed in ELISA experiments and in vitro inhibition assays. The results indicate that the two most broadly reactive HIV-1 envelope gp41 human mAbs are specific for a discontinuous epitope composed of the E1 and the E2 domain. If so, these two transmembrane protein domains in different retroviruses act as effective targets for neutralizing antibodies and may provide the basis for effective antiretroviral vaccines.

Das Humane Immundefizienz-Virus 1 (HIV-1) rekrutiert Wirtszellproteine und -Signalwege für seinen eigenen Lebenszyklus und beeinträchtigt viele Funktionen von Immunzellen, darunter die Phagozytose von Pathogenen durch Makrophagen. Diese Schwächung der Immunabwehr verursacht das acquired immunodeficiency syndrome (AIDS).Der Zusammenbau von HIV-1 geschieht sowohl an der Plasmamembran als auch in endosomalen Kompartimenten und wird durch das Struktur-Polyprotein Gag kontrolliert, das auch für die Freisetzung virusähnlicher Partikel (VLPs) aus der Wirtszelle sorgt. Vorangegangene Studie haben gezeigt, dass durch hohe induzierte Calciumkonzentrationen im Zytoplasma die Anzahl an VLPs in endolysosomalen Kompartimenten steigt und die VLP-freisetzung drastisch zunimmt. Der verantwortliche Mechanismus ist jedoch bisher unbekannt. Die vorliegende Arbeit zeigt zunächst, dass Calciumausschüttung aus Lysosomen die Fusion von Endosomen und Lysosomen - und damit die Exozytose der in Lysosomen enthaltenen VLPs - auslöst. Dieser Prozess wird durch Synaptotagmin VII reguliert und verhindert den Abbau eines Teils der in späten Endosomen und Lysosomen eingschlossenen VLPs. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung eines nanobiotechnologischen Systems zur Eliminierung von Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) mit Hilfe von Makrophagen. Dieses basiert auf Immunoliposomen, die HIV-VLPs über anti-Env-Antikörper binden und von Makrophagen dank membranständigem Phosphatidylserin (PS), einem apoptotischen Signal, phagozytiert werden. Die Lipososmen imitieren apoptotische Zellen und induzieren ihre Internalisierung und die lysosomale Aufnahme von HIV-VLPs. Das System nutzt einen effizienten Internalisierungsweg, der während der HIV-1-Infektion nicht beeinträchtigt ist. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die intrazellulären Prozesse der HIV-1 Freisetzung und präsentieren PS-Immunoliposomen als neuen potentiellen nanomedizinischen Ansatz zur Virusbeseitigung und HIV-Antigenpräsentation. / Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) hijacks proteins and signaling pathways of the host cell for its own life cycle, thereby impairing many functions of immune cells, including pathogen-phagocytosis by macrophages. The overall weakening of immune functions eventually results in the development of acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 assembly takes place at the plasma membrane as well as in endosomal compartments and is governed by the structural polyprotein Gag, which is also sufficient for the release of virus-like particles (VLPs) from the host cell. It was shown that an induced high cytoplasmic calcium concentration increases the amount of VLPs in endo-lysosomal compartments and results in a dramatic enhancement of VLP release [1,2]. However, the mechanism by which calcium can promote the release of VLPs remains to be determined. The first part of this work shows that release of calcium from lysosomes causes fusion between endosomes and lysosomes as well as exocytosis of lysosomeentrapped VLPs. This mechanism is regulated by Synaptotagmin VII and prevents degradation of a part of the late endosome- and lysosome-entrapped VLPs. The second part focuses on the development of a nanobiotechnological system for the clearance of Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) by macrophages. This system is based on immunoliposomes that (1) bind HIV-VLPs via anti-Env antibodies and (2) are phagocytosed by macrophages due to the presence of phosphatidylserine (PS), an apoptotic signal. Essentially, the PS-liposomes mimic apoptotic cells thereby inducing internalization and lysosomal delivery of bound HIV-VLPs. These immunoliposomes exploit an efficient internalization pathway not impaired upon HIV-1 infection. The results of this thesis provide new insights into the intracellular pathways controlling HIV-1 release and demonstrate that PS-immunoliposomes can represent a novel nanomedical approach for viral clearance and HIV antigen presentation.

Die Entwicklung eines effektiven HIV-Impfstoffes ist bis heute nicht gelungen.Konventionelle Immunisierungsstrategien mit rekombinant hergestellten Hüllproteinen des Virus in verschiedensten Formen induzierten keine subtypenübergreifende, protektive Immunantwort gegen HIV. Die Gewinnung und Charakterisierung der gp41-spezifischen breit neutralisierenden monoklonalen Antikörper 2F5 und 4E10 bildete die Grundlage einer Reihe neuer epitopgerichteter Ansätze für die HIV-Impfstoffentwicklung. Bisherige Immunisierungsstudien basierten auf der Verwendung des linearen Hauptepitopes (E2) der beiden Antikörper aus dem C-terminalen Teil der Ektodomäne von gp41. Nach neueren Erkenntnissen, reicht für eine effektive Neutralisation durch 2F5 oder 4E10 die Bindung dieser Antikörper an ihr lineares Epitop in der membran proximalen externen Region (MPER) von gp41 allein nicht aus. Vielmehr wurde die Beteiligung einer N-terminalen Domäne (E1) von gp41 an der neutralisationsaktiven Bindung von 2F5 bzw. 4E10 postuliert. In dieser Arbeit wurden die beiden 2F5 und 4E10 spezifischen Epitopbereiche E1 und E2 des gp41 erstmals in das strukturell verwandte transmembrane Hüllprotein des Koala Retrovirus (KoRV) eingebracht. Die Applikation der hergestellten Antigene erfolgte sowohl in Form der codierenden DNA mittels ballistischer Immunisierung (GeneGun®) als auch durch bakteriell exprimierte Proteine. Mit beiden Strategien konnten für drei Hybridproteine in den ersten Studien eine HIV-1 gp41 spezifische, breit neutralisierende humorale Immunantwort induziert werden. Diese Ergebnisse konnten jedoch in späteren Studien nicht reproduziert werden. Die Analyse der induzierten Immunantworten zeigte eine Verlagerung der Hauptimmunantwort als deren Ursache eine bakterielle Fremdinfektion der Versuchtiere diskutiert wurde. Zur Evaluierung der Immunisierungsstudien wurde ein neuartiger real time PCR basierter in vitro Neutralisationstest um Kontrollen zur Virusspezifität und Cytotoxizität erweitert. / The development of an effective HIV vaccine is considered the to play a key role in controlling the HIV pandemic. Conventional immunisation strategies using recombinant envelope proteins of the virus did not lead to the induction of a broad range protective immunity. A new target sequence for the induction of a broadly neutralising humoral immune response has been discovered through the characterization of the gp41 specific broadly neutralising monoclonal antibodies 2F5 and 4E10. Until now all attempts to induce 2F5/4E10 like neutralising antibodies failed. So far only the linear main epitope (E2) of 2F5 and 4E10, located in the C-terminal part of the gp41 ectodomain was used as the target sequence. However, it was recently shown that an N-terminal domain (E1) of gp41 increases the avidity of 2F5 to its epitope. The E1 domain may therefore be involved in the mediation of a neutralisation active binding. For the first time immunisation strategies have been developed that target both previously identified domains (E1 and E2) of gp41. The sequences corresponding to E1 and E2 have been introduced at homologous positions in the structurally related transmembrane envelope protein p15E of the Koala Retrovirus (KoRV). These generated hybrid antigens have been used for immunisation of wistar rats. They were applied as recombinant proteins expressed in E.coli and as DNA using a ballistic immunisation (GeneGun®) approach. Although in first trials neutralising antibodies specific for gp41 of HIV-1 were induced, these results could not be reproduced. Analysis of the induced antibodies showed a shift of their binding specifity. A bacterial infection of the used animals was identified as the cause of the unexpected shift in the antigen specific humoral immune response. For evaluation of the immunisation studies a new neutralisation assay based on the measurement of provirus integration by duplex real time PCR has been extended for controls of virus specifity and cytotoxicity.

Die Therapie der HIV Infektion besteht aus Kombination mehrerer antiretroviraler Substanzen und birgt ein erhöhtes Risiko an Arzneimittelwechselwirkungen. Das bekannte Problem der Virusresistenz kann zudem durch Enzyminduktion begünstigt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit lag in Untersuchungen zu Einflüssen der Virustatika auf die Expression von Cytochrom P450 Enzymen: 1A1, 1B1, 3A4 sowie der P-Glykoproteins (MDR1) an immortalisierten Zellsystemen. Die Protease Inhibitoren Indinavir, Nelfinavir, Ritonavir und Saquinavir induzierten die Regulation der mRNA Expression über den Aryl-Kohlenwasserstoff-Rezeptor (AhR) und den Pregnan-X-Rezeptor (PXR) dosisabhängig und signifikant. Die Nukleosidischen Reverse Transkriptase Inhibitoren Zalcitabin, Zidovudin und Lamivudin sowie der Nicht-Nukleosidische Inhibitor Nevirapin zeigten induktive Eigenschaften nur für die AhR Zielgene CYP1A1 und CYP1B1. Amprenavir und Efavirenz aktivierten die PXR-Regulation. Die möglichen Auswirkungen der Induktion der untersuchten Gene wurden ausführlich diskutiert. Die molekularen Grundlagen der interindividuell variierenden Aktivität von CYP3A wurden in einer Probandenstudie untersucht. Es wurden die mRNA Expression in den Leukozyten, die Aktivität des Enzyms und einige bekannte Polymorphismen unter Einwirkung von Rifampicin untersucht und diskutiert. / The therapy of HIV infection requires a combination of several antiretroviral substances accompanying risk factors for drug-drug interactions. Moreover, virus resistance can be promoted by enzyme induction caused by antiretroviral drugs. The aim of the study was to investigate the influences of antiretroviral substances on the expression of cytochrome P450 enzymes: 1A1, 1B1, 3A4 and p-glycoprotein (MDR1) using immortalized cell systems. The protease inhibitors indinavir, nelfinavir, ritonavir and saquinavir induced significantly the regulation of mRNA expression through the aryl hydrocarbon receptor (AhR) and the pregnane-x-receptor (PXR) in a concentration-dependent manner. The nucleoside reverse transcriptase inhibitors zalcitabine, zidovudine and lamivudine and the non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor nevirapine showed inductive properties only for the AhR target genes CYP1A1 and CYP1B1.Amprenavir and efavirenz activated the PXR target genes. Potentially effects of the described induction are discussed. In a second part of the work, the molecular mechanisms of the individual varying activity of the CYP3A enzyme were investigated applying an in vivo study. CYP3A4 mRNA expression and rifampicin mediated induction in leucocytes were correlated with systemic enzyme activity under induction and known polymorphisms.