Helicobacter pylori ist ein humanpathogenes Bakterium, das den Magen kolonisiert und dadurch eine Immunantwort des Wirts induziert. Statt eine vollständige Eradikation von H. pylori durch die Immunreaktion zu erreichen, kommt es normalerweise zu einer lebenslangen Persistenz des Bakteriums und einer chronischen Infektion. Interessanterweise kommt es infolge einer Infektion zu einer Hochregulation der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase (iNOS), aber die zellulären Quellen und zugrundeliegenden Mechanismen von iNOS sind noch nicht vollständig verstanden. Der iNOS-abhängigen Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) können sowohl antimikrobielle als auch pathologische Eigenschaften zugeschrieben werden. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit iNOS-exprimierende Plasmazellen (PZ) aus der Magenmukosa H. pylori-infizierter Patienten isoliert und phänotypisch, vor allem mittels Durchflusszytometrie und molekularbiologisch hinsichtlich ihres Immunglobulin-Repertoires untersucht. Es wurde erstmals gezeigt, dass mukosale IgA-sezernierende PZ eine der wesentlichen iNOS+ Zelltypen während einer H. pylori-Infektion im Menschen darstellen und zusätzlich wurde ihre intrazelluläre NO-Produktion nachgewiesen. Da iNOS+ PZ in weiteren gastrointestinalen Infektionskrankheiten fehlten, scheint dies kein genereller Phänotyp von PZ der mukosalen Immunabwehr zu sein. Die Analyse der intrazellulären Zytokin-Expression der mukosalen B-Zellpopulationen in H. pylori-Patienten ergab eine Ko-Expression von IFN-γ und TNF-α in iNOS+ memory B-Zellen und eine TNF-α-Expression in iNOS+ PZ, aber nicht in den iNOS− Zellen. Die molekularbiologische Charakterisierung des Immunglobulin-Repertoires von iNOS+ und iNOS− PZ hinsichtlich der VHDJH-Regionen ergab keinen signifikanten Unterschied hinsichtlich der Isotyp-Verteilungen, der Nutzung der VH- und JH-Segmente, CDRH3-Längen sowie somatischen Mutationen und alle Antikörper zeigten typische Charakteristika einer T-zellabhängigen Affinitätsreifung. / Helicobacter pylori is a human-pathogenic bacterium that colonizes the stomach and thereby initiates host immune response. Instead of a complete eradication of H. pylori by the induced immune response, a lifelong bacterial persistence leads to chronic infections. Interestingly, up-regulation of inducible nitric oxide synthase (iNOS) has been observed in gastric mucosal tissue during the course of H. pylori infection in humans, however the cellular sources and underlying mechanisms of iNOS induction are not fully understood. iNOS-dependent production of nitric oxide (NO) is one of the factors commonly linked to both, anti-microbial immunity and pathology. Therefore, in this thesis iNOS-expressing plasma cells (PCs) in the stomach mucosa of H. pylori-infected patients were isolated and phenotypically analyzed by flow cytometry, as well as screened using molecular techniques regarding their immunoglobuline (Ig) repertoires. For the first time, we identified mucosal IgA-producing PCs as a major iNOS+ cell population during H. pylori infection in humans, and additionally confirmed their intracellular nitric oxide production. Since iNOS+ PCs were not detectable in other gastrointestinal infectious diseases, this reaction does not seem to be a general feature of mucosal PCs under conditions of infection. Additionally, intracellular cytokine expression analyses of mucosal B-lineage cells isolated from H. pylori patients revealed a co-expression of IFN-γ and TNF-α in iNOS+ memory B cells and the expression of TNF-α in iNOS+ PCs, but not in iNOS− cells. Molecular analysis of the Ig repertoire of iNOS+ and iNOS− PCs of the VHDJH regions revealed no significant differences regarding the Ig isotype composition, VH and JH gene family usage, CDRH3 length, and frequency of somatic mutations and all antibodies were characterized by typical properties of T cell-dependent affinity maturation.

Infektionen mit H. pylori führen zu Veränderungen im Aufbau und der zellulären Zusammensetzung des Magenepithels. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Stromazellen, die sich in unmittelbarer Nähe der epithelialen Stammzelle befinden, die funktionelle Nische für dieses Kompartiment bilden und wichtige Faktoren für die Regulierung des Stammzellumsatzes und Differenzierung darstellen. Daher konzentriere ich mich bei dieser Arbeit auf die Rolle der Myh11+ Myofibroblasten, die sich sowohl unter als auch zwischen den Epitheldrüsenzellen befinden. Ich fand heraus, dass die Myofibroblasten in der Homöostase einen BMP-Gradienten entlang der Drüsenachse mit erhöhter Expression von Bmp2 im oberen Teil erzeugen, während die Drüsenbasis von Zellen umgeben ist, die Bmp-Inhibitoren produzieren. Basierend auf der Funktionsanalyse mit 3D-Organoidmodellen ist der Bmp-Signalweg ein zentraler Faktor für die rasche Differenzierung von Stammzellen in faveoläre mukusproduzierende Zellen. Darüber hinaus wurde ein auto-parakriner Signalweg gefunden, der zur Bildung von Bmp2 in Epithelzellen führt. Meine Untersuchungen Daten zeigten eine Verringerung des BMP-Signalwegs in H. pylori-infizierten Myofibroblasten. Darüber hinaus führte eine Infektion mit H. pylori nicht nur zum Verlust der stromalen, sondern auch der epithelialen Bmp2-Expression. Diese Beobachtung ging mit einer Zunahme von IFNγ einher, was auf eine Verbindung zwischen beiden Signalwegen hinwies. Tatsächlich zeigten anschließende Experimente mit Organoiden, dass IFNγ den Bmp-Signalweg hemmt und dadurch die terminale Differenzierung blockiert. Zusammenfassend zeigen meine Untersuchungen, dass das Schicksal einer Zelle, die zur Oberfläche der Magendrüse wandert, eine Induktion des BMP-Signalwegs erfährt. Die Reduktion dieses Signals durch IFNγ deutet auf einen Mechanismus hin, der Veränderungen in der zellulären Differenzierung und die Entwicklung von prämalignen epithelialen Läsionen im Verlauf einer H. pylori-Infektion bewirkt. / Infection with Helicobacter pylori (H. pylori) leads to alterations of the topology and cellular composition of the gastric epithelium. Recent studies have shown that stromal cells located in close proximity to the epithelial stem cell are creating the niche for this compartment and provide crucial factors that regulate stem cell turnover and fate decisions. Therefore, this thesis focuses on of Myh11+ myofibroblasts that are located beneath and between the epithelial gland cells. I found that during homeostasis, the myofibroblasts generate a BMP gradient along the gland axis with strong expression of Bmp2 in the upper part, whereas the base is surrounded by cells producing BMP inhibitors. Based on functional analysis with 3D organoid models, the BMP gradient occurs to be a main factor responsible for rapid differentiation of stem cells into pit surface mucous cells. Moreover, experiments led me to identify an auto-paracrine feed-forward BMP2 loop in epithelial cells, which further stabilizes BMP signaling once it is activated and induces terminal differentiation. Data presented in this study demonstrated a reduction of BMP signaling in H. pylori-infected myofibroblasts. Furthermore, infection with H. pylori resulted in loss of not only stromal, but also epithelial Bmp2 expression. This observation was accompanied with increase of Interferon γ (IFNγ), which indicated a link between both pathways. Consistently, stimulation of organoids with IFNγ impairs BMP signaling and the BMP2 feed-forward loop, and thereby blocks terminal differentiation. Together, this study shows that the fate of a cell migrating into the surface of the gastric gland is determined by an induction of BMP signaling and stabilized by an auto-paracrine BMP signaling enhancement. Reduction of this signaling by IFNγ revealed a mechanism which contributes to altered cellular differentiation and development of premalignant epithelial alterations in the context of H. pylori infection.