Die von T-Helfer (Th) -Zellen produzierten Zytokine spielen eine entscheidende Rolle bei der Einleitung, der Aufrechterhaltung und der Regulation von Immunantworten. Bei der Untersuchung von Immunantworten hat sich eine vereinfachte Einteilung der Th-Zellen in zwei Klassen als hilfreich erwiesen: Th1 und Th2. Stabil differenziell exprimierte Oberflächenmoleküle werden benötigt, um lebende Th1- und Th2-Zellen identifizieren, auf Einzelzellebene charakterisieren und möglicherweise die von ihnen erzeugten Immunantworten modulieren zu können. Auf der Suche nach solchen Molekülen wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Millennium Pharmaceuticals das Oberflächenmolekül TIM-3 entdeckt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit belegen, dass TIM-3 nicht nur von CD4+ Th-Zellen, sondern auch von CD8+ T-Zellen, gamma/delta-T-Zellen, sowie einigen Makrophagen und der Mehrheit der dendritischen Zellen in der Milz von Mäusen auf der Zelloberfläche exprimiert wird. Die Expression von TIM-3 auf Th-Zellen ist klar mit einem aktivierten Phänotyp assoziiert. TIM-3 wird unter polarisierenden Bedingungen in vitro im Vergleich zu Th2-Zellen bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich von Th1-Zellen exprimiert. Erstmals wurde auf Einzelzellebene die Zytokinproduktion TIM-3 exprimierender Th-Zellen untersucht. Die Analyse von Th0-Zellen, welche unter nichtpolarisierenden Bedingungen in vitro hergestellt wurden, ergab keine bevorzugte Produktion von Th1-Zytokinen und keine verminderte Expression von Th2-Zytokinen durch TIM-3 exprimierende Th-Zellen. Aufgrund der in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse erlaubt die Expression von TIM-3 allein daher nicht die Identifizierung von Th1-Zellen. Nach einer Infektion mit Toxoplasma gondii lag jedoch eine bevorzugte Assoziation zwischen der Expression von TIM-3 und der pathogenspezifischen Produktion von Interferon (IFN)-gamma, Interleukin (IL)-2 und Tumor Nekrose Faktor (TNF)-alpha vor. Somit korreliert die TIM-3 Expression auf Th-Zellen nur unter bestimmten Bedingungen mit einem Th1-Phänotyp. / The cytokines that are produced by T helper (Th) cells are decisive for the initiation, the maintenance and the regulation of immune responses. A simplified classification of Th cells has proven to be useful for the analysis of immune responses: Th1 and Th2. Stably and differentially expressed surface molecules are required for the identification of live Th1- and Th2-cells, their characterisation at the single cell level and the possible modulation of the immune responses that they induce. On the search for such molecules the surface molecule TIM-3 was discovered in collaboration with Millennium Pharmaceuticals. The present work shows that TIM-3 protein is not only expressed on the cell surface by CD4+ Th cells but also by CD8+ T cells and gamma/delta T cells as well as by some macrophages and the majority of the dendritic cells in the murine spleen. TIM-3 expression on Th cells is clearly associated with an activated phenotype. Under polarising conditions in vitro TIM-3 is expressed preferentially albeit not exclusively by Th1 cells compared to Th2 cells. For the first time, the cytokine production of TIM-3 expressing Th cells has been analysed at the single cell level. The analysis of Th0 cells, generated under non-polarising conditions in vitro showed no preferential production of Th1-cytokines and no diminished production of Th2-cytokines by TIM-3 expressing Th-cells. The results obtained in this work lead to the conclusion that expression of TIM-3 does not permit the identification of Th1-cells. However upon infection with Toxoplasma gondii a positive association between the expression of TIM-3 and the pathogen-specific production of Interferon (IFN)-gamma, Interleukin (IL)-2 and Tumor Necrosis Factor (TNF)-alpha was observed. Therefore the expression of TIM-3 on Th-cells only correlates under specific conditions with a Th1-phenotype.

Zirkulierende inflammatorische Mediatoren spielen eine zentrale Rolle in der Induktion und Unterhaltung eines septischen Multiorganversagens (MOV). Tritt im Rahmen eines septischen MOV ein akutes Nierenversagen auf, so wird der Einsatz einer Nierenersatztherapie notwendig. Kontinuierliche Nierenersatztherapieverfahren (CRRT) haben sich hier bewährt. Der Einsatz von CRRT zur adjuvanten Therapie des septischen MOV ist in den neunziger Jahren aufgekommen. Grundlage bildet die Hypothese, dass durch die Reduktion von Spitzenpegeln pro- and anti-inflammatorischer Mediatoren im Blutplasma die Homöostase der Immunabwehr wiederhergestellt werden kann. Kommerziell erhältlichen Hämofilter weisen aufgrund ihrer Konstruktion nur eine geringe Clearanceleistung für inflammatorische Mediatoren auf. In Kooperation mit der Industrie (Gambro, Medical Research, Hechingen, Germany) entwickelten wir einen neuartigen, großporigen Hämofilter für den klinischen Einsatz. Der Hämofilter wurde konzipiert, um Moleküle in einer Größe von bis zu 60 kD aus dem Blut septischer Patienten zu eliminieren. In einer ersten Pilotstudie wurde der Hämofilter auf seine klinische Verwendbarkeit untersucht. Untersucht wurde die hämodynamische Verträglichkeit, der Verlust an Bluteiweißen und Gerinnungsfaktoren sowie die Effektivität der Mediatorelimination am Beispiel von Interleukin-6 (IL-6) und Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-alpha). Wir konnten zeigen, dass die großporige Hämofiltrationstherapie ein sicheres und effizientes Nierenersatzverfahren darstellt. Es erwies sich als hämodynamisch verträglich. Der kumulative Eiweißverlust lag bei 8 g/Tag. Signifikante Verluste an essentiellen Gerinnungsfaktoren wurden nicht beobachtet. Es zeigte sich zudem eine signifikante Filtration von im Blut zirkulierendem IL-6. Die Clearancekapazität für TNF-alpha war jedoch gering. In Folgestudien konnten wir zeigen, dass die großporige Hämofiltration immunmodulatorische Eigenschaften ausübt. Sowohl die Phagozytose-Aktivität zirkulierender polymorphkerniger Leukozyten und Monozyten, als auch die Proliferationseigenschaften von T-Lymphozyten wurden günstig beeinflusst. Um den Verlust an Bluteiweißen durch den großporigen Hämofilter zu reduzieren, wurden verschiedene Nierenersatzstrategien experimentiert. Der diffusive Stofftransport scheint dem konvektiven Verfahren hinsichtlich der Mediatorelimination, bei deutlich günstigerem Effekt auf den Proteinhaushalt, gleichwertig zu sein. In wieweit die großporige Hämofiltration den Krankheitsverlauf septischer Patienten beeinflussen kann, ist Gegenstand aktueller Studien. / Inflammatory mediators play a pivotal role in the induction and maintenance of a septic syndrome. In the course of a septic multiorgan dysfunction syndrome, acute renal failure (ARF) often necessitates the use of renal replacement therapy. Continuous renal replacement therapy (CRRT) is the treatment of choice in this regard, and convection (hemofiltration) has become the most common used purification technique. Apart from representing a valuable renal replacement modality, CRRT also allows the elimination of inflammatory mediators. Since the early nineties CRRT has been used as an adjuvant treatment strategy in the septic multiorgan failure syndrome. It has been hypothesized that CRRT may re-institute the immunologic and hemostasilogic homeostasis by reducing the peak cytokine concentration in circulating blood. Commercially available hemofilters do not allow for a substantial elimination of inflammatory mediators. Their clearance capacity for septic mediators is poor. In cooperation with an industry company (Gambro, Medical Research, Hechingen, Germany), we developed a high cut-off hemofilter for clinical use in septic patients. The hemofilter was developed in order to allow the elimination of septic mediators in the molecular weight range up to 60 kilodaltons (kD). In a first pilot study the newly developed hemofilter was analyzed for clinical feasibility. We studied the hemodynamic impact, the transmembrane loss of plasma proteins and coagulation parameters as well as the efficacy in regard to mediator elimination. For mediator elimination Interleukin-6 (IL-6) and tumor-necrosis-factor-alpha (TNF-alpha) were chosen. We were able to show, that high cut-off hemofiltration is a safe and effective renal replacement procedure. Hemodynamically high cut-off hemofiltration was well tolerated. The cumulative transmembrane total plasma protein loss was around 8g/day. Coagulation parameters were not effected. We further demonstrated, that high cut-off hemofiltration is able to significantly eliminate substantial amounts of circulating IL-6. However, the elimination capacity for TNF-alpha was poor. We were also able to show, that high cut-off hemofiltration exerts immunomodulatory properties. The phagocytotic activity of polymorphnuclear leukocytes and monocytes as well as proliferative capacity of lymphocytes were positively influenced. In order to reduced transmembrane protein losses through the high cut-off hemofilter, a variety of different renal replacement strategies were tested. Diffusive purification techniques were comparable to convective techniques in regard to the mediator elimination capacity, but were associated with significantly lower transmembrane protein losses. Whether high cut-off hemofiltration can positively influence the course of critically ill septic patients is still under investigation.

Für medizinische Anwendungen sind Stammzellen aufgrund ihrer Eigenschaften (Selbsterneuerung, hohe Proliferationsrate und Differenzierungsmöglichkeit in verschiedene Zelltypen) beispielsweise in den Bereichen des regenerativen Gewebeersatzes und der Zelltherapie sehr interessant. In vivo umgibt die Stammzellen eine definierte Mikroumgebung, die sie unterstützt sich zu teilen, ihren undifferenzierten Status aufrecht zu erhalten und Tochterzellen für das Wachstum, die routinemäßige Erneuerung oder den Ersatz von Gewebe zu produzieren. Diese Mikroumgebungen werden als Stammzellnischen bezeichnet. Für die Kultivierung von Stammzellen in vitro muss die in vivo-Situation möglichst getreu nachgestaltet werden. Ziel der Forschung ist die Schaffung einer künstlichen Umgebung, die sowohl die funktionellen Eigenschaften einer Nische besitzt als auch frei von Risiken xenogener Pathogene oder Gewebeunverträglichkeiten für die Anwendung am humanen Organismus eingesetzt werden kann. Einen Ansatz dafür bietet beispielsweise die Kopplung von Faktoren, die für den Erhalt der Stammzelleigenschaften notwendig sind, an synthetische Oberflächen. Ausgehend vom Bedarf an Kultur- oder Modellsystemen für die Expansion von (embryonalen) Stammzellen sollte in dieser Arbeit analysiert werden, ob alternierende Maleinsäureanhydrid (MA)-Copolymere ein geeignetes Trägersystem für die biofunktionelle kovalente Immobilisierung spezifischer Zytokine sind und dadurch unter anderem als künstliche Stammzellnische Anwendung finden können. MA-Copolymere eignen sich aufgrund ihrer spontanen Reaktion mit Aminogruppen für die Immobilisierung von Proteinen. Das Zytokin LIF (Leukemia inhibitory factor) existiert in vivo auch in immobilisierter Form und ist in embryonalen Mausstammzellen (mESC) allein in der Lage, das Stammzellpotential dieser Zellen zu erhalten. Aus diesem Grund ist LIF für die Analyse der Aufgabenstellung geeignet. Nach der Charakterisierung LIF-modifizierter Oberflächen wurde die biologische Verfügbarkeit des kovalent immobilisierten Zytokins mit Hilfe von LIF-sensitiven Fibroblasten und mESC der Linie R1 überprüft. Anschließend wurde im Mausmodell in vivo der Erhalt der Pluripotenz der mESC durch immobilisiertes LIF analysiert. Dafür standen die Oberflächen Poly(ethylen-alt-maleinsäureanhydrid) (PEMA) und Poly(octadecen-alt-maleinsäureanhydrid) (POMA) jeweils ohne und mit Polyethylenglykol (PEG7)-Modifizierung zur Verfügung, an die LIF kovalent gekoppelt wurde. Zusätzlich wurde LIF physisorptiv an einer Kollagen-Fibronektin-Matrix über hydrolysiertem POMA immobilisiert. Mit Hilfe von radioaktiv markiertem LIF konnte gezeigt werden, dass die Gesamtbeladungsmenge mit Zytokin von den Eigenschaften der MA-modifizierten Träger abhing. Auf PEMA konnten mit steigenden Immobilisierungskonzentrationen höhere Belegungsdichten an der Oberfläche erreicht werden, die im analysierten Bereich eine lineare Abhängigkeit zeigten. Aufgrund der starken Quellung in wässrigen Lösungen war eine Einlagerung von LIF-Molekülen in die Polymerschicht möglich und führte bei hohen Immobilisierungskonzentrationen auch nach 3 Tagen Inkubation mit proteinhaltigem Medium noch zur Verdrängung nicht kovalent gebundener Zytokinmoleküle aus PEMA-Oberflächen. Obwohl ein Teil des LIF in die Polymerschicht eindrang, war der Großteil der Moleküle für einen spezifischen Antikörper zugänglich. Hydrophobe Oberflächen mit POMA konnten bei hohen Immobilisierungskonzentrationen weniger LIF binden und zeigten Sättigungsverhalten der Oberflächen bei einer Belegungsdichte von 178 ng/cm^2 LIF. Eine Freisetzung von LIF nach mehr als 3 Tagen konnte nicht beobachtet werden. Gleichzeitig war hier aufgrund der hydrophoben Polymerseitenketten die Antikörperzugänglichkeit deutlich reduziert. Wegen des geringen Quellungsverhaltens von POMA in wässrigen Lösungen konnte eine Einlagerung des immobilisierten Zytokins in die Polymerschicht aber ausgeschlossen werden. Die kovalente LIF-Immobilisierung über PEG7-Spacer führte im Vergleich zu den nicht PEG-modifizierten Oberflächen PEMA und POMA zu jeweils geringeren Belegungsdichten, ohne dabei den Charakter der Abhängigkeit von der Immobilisierungskonzentration zu verändern (linear für PEMA+PEG7, Sättigung für POMA+PEG7). Die schlechte Antikörperzugänglichkeit von immobilisiertem LIF auf POMA konnte durch die Einführung des PEG7-Spacers deutlich verbessert werden und erreichte einen Wert ähnlich dem der hydrophilen PEMA-Oberflächen. Kovalent immobilisiertes LIF zeigte auf den vier MA-Oberflächen homogene und definiert einstellbare Belegungsdichten auf den einzelnen Proben. Die physisorptive Immobilisierung von LIF an extrazelluläre Matrixkomponenten auf hydrolysiertem POMA führte zu inhomogenen und bereits bei geringen Immobilisierungskonzentrationen instabilen Belegungsdichten. Die Einstellung definierter Belegungsdichten und die homogene Verfügbarkeit des Zytokins sind für die spätere Anwendung bei der Kultivierung wichtig, da so allen Zellen die gleiche definierte Zytokindosis unabhängig von der Oberflächencharakteristik präsentiert wird und Populationsunterschiede vermieden werden. LIF-sensitive Mausfibroblasten der Linie NIH3T3 reagierten auf immobilisiertes LIF mit der Aktivierung des Signalwegproteins STAT3. Durch den direkten Vergleich von STAT3-Aktivierungsprofilen nach Stimulation mit gelöstem oder immobilisiertem LIF konnte gezeigt werden, dass durch beide Präsentationsformen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Stimulationsbeginn eine starke Aktivierung von STAT3 erfolgt, die anschließend wieder abklingt. Die Profile beider Präsentationsformen unterschieden sich in ihren Intensitäten nur bei der starken STAT3-Aktivierung. Dabei ergaben sich bei gelöstem LIF aufgrund der größeren Kontaktfläche mit Zytokin (gesamte Zelloberfläche) etwas stärkere Aktivierungen. Durch die sehr ähnlichen Aktivierungsprofile konnte nachgewiesen werden, dass das Zytokin LIF für Zellen zugänglich an MA-Copolymere mit und ohne Spacer-Modifizierung immobilisiert werden kann. Dabei lag ein Teil der Moleküle in einer Konformation und Orientierung gebunden vor, die die Funktionalität des Zytokins erhalten konnten. Zwischen den Oberflächen mit kovalenter LIF-Immobilisierung konnten keine wesentlichen Unterschiede in der STAT3-Aktivierung festgestellt werden. LIF war an all diesen Oberflächen für die LIF-sensitiven NIH3T3 Mausfibroblasten biologisch verfügbar. LIF-abhängige embryonale Mausstammzellen (mESC) reagierten nach 72 Stunden LIF-Stimulation mit der Aktivierung von STAT3. Bei Belegungsdichten ab 8 ng/cm^2 kovalent immobilisiertem LIF auf POMA mit und ohne PEG7-Spacer konnten ähnliche Aktivierungen wie durch die Stimulation mit gelöstem LIF festgestellt werden. Dies bestätigte die biofunktionelle LIF-Immobilisierung. Zwischen den POMA-Oberflächen mit und ohne PEG7 war dabei kein deutlicher Unterschied erkennbar. Eine reduzierte Zugänglichkeit des Antikörpers auf POMA beeinflusste demnach die biologische Verfügbarkeit des Zytokins für die mESC nicht. Der Erhalt des Stammzellpotentials durch kovalent an POMA gebundenes LIF konnte in vitro durch die Präsenz von Oct4 im Zellkern der mESC nachgewiesen werden. Durch die instabile Immobilisierung bei physisorptiver Assoziation des Zytokins an Matrixkomponenten über hydrolysiertem POMA reduzierte sich der Erhalt des Stammzellpotentials auf diesen Oberflächen stark. Kovalent immobilisiertes LIF dagegen konnte auch während der Kultur über mehrere Passagen hinweg die Pluripotenz der murinen ESC erhalten. Nach der Fusion mit Blastozysten beteiligten sich diese kultivierten Zellen in vivo erfolgreich an der Bildung von Chimären. Dabei konnten keine Unterschiede der Chimärenhäufigkeit zwischen der Kultivierung der mESC mit gelöstem oder kovalent an POMA immobilisiertem LIF festgestellt werden. Kovalent an MA-Copolymere immobilisiertes LIF ist demnach in der Lage, gelöstes LIF vollständig zu ersetzen und über mehrere Passagen hinweg allein das Stammzellpotential von mESC zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich MA-Copolymere für die funktionelle kovalente Immobilisierung von Signalmolekülen eignen. Dabei konnten keine starken Unterschiede bei der Reaktion der Zellen auf die Oberflächen PEMA oder POMA festgestellt werden. Auch die Einführung eines zusätzlichen Spacers war für die Signaltransduktion nach Stimulation mit kovalent immobilisiertem LIF nicht notwendig. Für künftige Arbeiten zur kovalenten Immobilisierung von LIF an MA-Copolymeren ist deshalb aus Stabilitäts- und Effizienzgründen die Oberfläche POMA zu bevorzugen. Diese Favorisierung kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Tertiärstruktur anderer Proteine und ihrer verschiedenen Steifigkeiten sowie bei der Verwendung anderer Zelltypen nicht automatisch für ein anderes Modellsystem übernommen werden. Die Verwendung hydrophiler Oberflächen oder die Kopplung über Spacer sollte demnach in Abhängigkeit vom zu immobilisierenden Protein und den auszusiedelnden Zellen geprüft werden. Die vorgestellte Kopplungsmethode umgeht die Modifikation des Proteins sowie Behandlungen zur Vernetzung des Zytokins. Die Immobilisierungsreaktion ist bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck sowie unter sterilen Bedingungen durchführbar. Immobilisierte Zytokine werden homogen kovalent an der Oberfläche gebunden und sind dort für die Zellen zugänglich. Außerdem ermöglicht die Einstellung definierter Belegungsdichten die gezielte Applikation von Zytokindosen. MA-Copolymere sind somit nicht nur für die Kultivierung von Stammzellen unter Erhaltung des Stammzellstatus einsetzbar, sondern eignen sich auch für Differenzierungsstudien. Teilergebnisse dieser Arbeit wurden publiziert unter K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008 und T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010. / In vitro cultivation of (embryonic) stem cells requires a defined environment. Together different properties as cytokine supplement, extracellular matrix composition or topographic design can mimic this stem cell niche in an artificial system. For mouse embryonic stem cells the cytokine leukemia inhibitory factor (LIF) is able to keep those cells in undifferentiated state and to enhance self renewal without the supplement of other factors. In vivo LIF exists in both diffusible and extracellular matrix immobilized form. This work investigates whether LIF can be immobilized covalently to alternating maleic anhydride (MA)-copolymers in a functional manner. When bioavailable, covalently immobilized LIF should be able to interact with specific cytokine receptor subunits and provide information to keep murine embryonic stem cells in a pluripotent state. In aqueous solution with neutral pH (such as phosphate buffered saline, PBS) and ambient temperature and pressure MA-copolymers react spontaneously with aminogroups and therefore represent a useful support for covalent protein immobilization. Depending on the choice of co-monomer, properties of copolymer vary: ethylene results in hydrophilic poly-(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), octadecene in more hydrophobic poly-(octadecene-alt-maleic anhydride) (POMA). LIF can be covalently immobilized onto the MA-copolymers as shown by radiolabeling experiments. The amount of cytokine coupled to PEMA increased linear whereas on POMA saturation could be observed for higher concentrations. A subsequent coupling of a polyethylene glycol spacer (PEG7) further modified the properties and led to more hydrophilic surfaces. The amount of LIF per area decreased in comparison to MA-copolymers without the spacer but the graph characteristics remained unaltered (linear for PEMA+PEG7, saturation for POMA+PEG7). During the first three days in buffer solution supplemented with bovine serum albumin, unbound LIF was displaced and the amount of immobilized cytokine remained stable. This Stability after preincubation allowed to immobilize required amounts of LIF per area. Although hydrophilic surfaces with PEMA showed swelling behavior resulting in increased layer thickness after incubation in PBS, accessibility to LIF for an antibody was not impaired. The amounts per area detected by radiolabeling method and using the antibody were similar and indicated that LIF was not covered by copolymers. For cell culture addition of diffusible as well as immobilized growth factors or cytokines requires dosage control. Frequently it is necessary to provide homogeneous distribution of the factor of interest. In the present study analysis by fluorescence microscopy confirmed homogeneity for surfaces with covalently immobilized LIF (iLIF) but not for LIF physisorbed to extracellular matrix components collagen type I and fibronectin. LIF transduces signals via the JAK/STAT pathway. Preliminary experiments with LIF-sensitive fibroblasts showed similar activation of STAT3 after stimulation with immobilized or diffusible LIF. The results of STAT3 activation revealed an activation profile with high intensities within the first 15 minutes for both immobilized and diffusible LIF followed by decrease. STAT3 activation profiles were similar on different surfaces and independent of LIF presentation mode. These results revealed that fibroblasts could recognize covalently immobilized LIF onto MA-copolymers and were able to activate STAT3. In the absence of LIF mESC start to differentiate within 24 to 36 hours and loose their pluripotency. To confirm the functional immobilization of LIF mouse embryonic stem cells (mESC) were cultivated on iLIF-modified POMA or POMA+PEG7 surfaces for 72 hours and stained for activated STAT3. Results showed a dose-dependent activation increasing with the iLIF amount per area. Higher amounts (8 and 75 ng/cm^2) of iLIF activated STAT3 similar to 10 ng/ml diffusible LIF. Introduction of PEG7 spacer did not further increased STAT3 activation. Both, the amount of ESC marker Oct4 and the percentage of Oct4-positive cells increased with higher amounts of iLIF and showed similar results as obtained with 10 ng/ml diffusible LIF. Murine ESC cultivated on LIF physisorbed to matrix components expressed similar amounts of transcription factor Oct4 compared to unstimulated cells. STAT3 activation and Oct4 expression in the absence of diffusible cytokine indicated a functional covalent immobilization of LIF. To confirm the pluripotency, mESC were stimulated for 6 to 8 subcultures only with iLIF, cell aggregates were fused with mouse embryos and implanted in pseudopregnant surrogate mothers. Three weeks after birth the contribution of mESC aggregates to chimera was evaluated. ESC stimulated with iLIF only contributed to chimera formation with around the same frequency as mESC cultivated with 10 ng/ml diffusible LIF. Thus, iLIF maintained pluripotency of mESC during in vitro expansion and could replace diffusible LIF. As shown by the experiments, MA-copolymers provide a support to covalently immobilize cell signaling molecules in a functional manner. This method of coupling does not need any protein modification or cross-linking treatment after protein incubation. Reaction can be carried out under sterile conditions at ambient temperature and pressure. The immobilized ligand is distributed equally on the supporting copolymer and the adjustment of required ligand amounts is possible. These properties characterize MA-copolymers as a suitable support to immobilize cell signaling molecules not only for keeping the stem cell fate but also for differentiation studies. Parts of this work were published: K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008. T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010.

Der Systemische Lupus Erythematodes (SLE) ist eine meist schwer verlaufende Autoimmunerkrankung, die jedes Organ betreffen kann. Trotz zahlreicher und intensiver Anstrengungen die Pathophysiologie des SLE aufzuklären, wird sie aktuell nur in ihren Grundzügen verstanden. Eine Vielzahl zellulärer und molekularer Auffälligkeiten wurden in verschiedenen Immunzellen von Patienten mit SLE beschrieben, wobei die gesteigerte Aktivierung von T und B Zellen ist ein Schlüsselmerkmal ist. Verschiedene Auffälligkeiten der T Zell Funktion wurden in den vergangenen Jahren berichtet, unter anderem die gesteigerte Expression und Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren, darunter cAMP Responsive Element Modulator (CREM)α und Signal Transducer and Activator of Transcription (Stat)3. Eine Rolle von CREMα bei der Entstehung von Effektor T Zell Phänotypen bei Patienten mit SLE wurde in Studien belegt. Die gesteigerte Expression von CREMα ist (zumindest teilweise) für die gesteigerte Expression von IL-17A und die reduzierte Expression von IL-2 verantwortlich, welche für die Pathogenese und die Entstehung von Gewebeschäden mitverantwortlich sind. Neben gut charakterisierten CD4+ Effektor T Zellen, spielen TCR+CD3+CD4-CD8-, sogenannte „doppelt negative“ (DN) T Zellen, eine Rolle in der Pathophysiologie des SLE. Die Zahl DN T Zellen ist im peripheren Blut von SLE Patienten gesteigert. DN T Zellen infiltrieren entzündete Gewebe, insbesondere die Nieren, wo sie IL-17A exprimieren und zu Gewebeschäden beitragen können. Da DN T Zellen durch den Verlust der Oberflächenexpression des CD8 Co-Rezeptors aus CD8+ T Lymphozyten hervorgehen können, stellte wir die Frage, ob CREMα an diesem Prozess beteiligt ist. In den vorliegenden Studien konnten wir zeigen, dass CREMα an hochkonservierte nichtkodierende Sequenzen des CD8 Gen Clusters bindet und den CD8B Promoter trans-reprimiert. CREMα stellt damit den ersten berichteten Transkriptionsfaktor dar, der zu trans-Repression von CD8 führt. Zudem co-rekrutiert CREMα die DNA Methyltransferase DNMT3a und die Histon Methyltransferase G9a an hochkonservierte nichtkodierende Elemente des CD8 Gen Clusters in CD8+ T Zellen. Hierdurch trägt CREMα zur Chromatinkondensation, folglich reduzierter CD8 Expression und letztendlich der Generierung von DN T Zellen bei. Da die Expression von CREMα sowohl in T Zellen von SLE Patienten als auch in T Zellen von MRL.lrp Mäusen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte auf die CD8 Expression eine Rolle für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen spielen, die mit einer erhöhten Zahl von DN T Zellen einhergehen (z.B. Patienten mit Autoimmune Lymphoproliferative Syndrome; ALPS). Proteine der Stat Transkriptionsfaktor Familie spielen eine Rolle während der Differenzierung und Aktivierung von Effektor T Zellen. Speziell die Transkriptionsfaktoren Stat3 und Stat5 scheinen für das Gleichgewicht zwischen Th17 Effektor Phänotypen (Stat3) und regulatorischen T Zellen (Stat5) von Bedeutung zu sein. Stat3 spielt eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von IL-17A produzierenden CD4+ Th17 Helferzellen, welche eine pathophysiologische Rolle beim SLE spielen. Durch die Aktivierung der Expression weiterer Zytokine (z.B. IL-6, IL-10, und IL-21) in verschiedenen T Lymphozytenpopulationen, sind die Effekte von Stat3 nicht auf die genannten T Helferzellpopulationen beschränkt. Interleukin-10 ist ein immunregulatorisches Zytokin, welches neben seinen anti-inflammatorischen Effekten auch zur Aktivierung von B Lymphozyten und Antikörperproduktion beiträgt. Eine mögliche Pathophysiologische Rolle von IL-10 beim SLE ergibt sich aus gesteigerten IL-10 Serumspiegeln in SLE Patienten und nicht zuletzt aus einer kleinen Kohorte von SLE Patienten, die klinische Besserung nach therapeutischer Blockade von IL-10 erfahren hatte. Wie IL17A, wird auch IL10 durch Transkriptionsfaktoren der Stat Familie kontrolliert. Da die Expression und Aktivierung von Stat3 in T Zellen von SLE Patienten gesteigert ist, untersuchten wir am Beispiel des IL10 Gens Effekte von fehlregulierter Stat Aktivierung. Wir konnten zeigen, dass Stat3 und Stat5 das IL10 Gen durch trans-Aktivierung und die Induktion von epigenetischen Remodeling durch die Co-Rekrutierung von p300 regulieren. Der transkriptionelle Co-Aktivator p300 besitzt Histon Azetyltransferase Aktivität und induziert die „Öffnung“ des IL10 Gens. In T Zellen von SLE Patienten ist die Rekrutierung von Stat3 durch reduzierte DNA Methylierung am proximalen Promoter und einem intronischen Enhancer (I-SRE) erleichtert. Zudem verdrängt Stat3 den Transkriptionsfaktor Stat5 von einem Bindungselement im 4. Intron (I-SRE) des IL10 Gens. Zusammen führen diese Ereignisse zu gesteigerter Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten. Da die Aktivierung von Stat3 zu gesteigerter Expression einer Reihe von Zytokinen beträgt und die Stat3 Aktivierung sowohl beim SLE als auch bei anderen Autoimmunerkrankungen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte nicht nur auf die Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten beschränkt sein. Unsere Beobachtungen unterstreichen das Potenzial fehregulierte Transkriptionsfaktoren, speziell CREMα und Stat3, als Biomarker und/oder therapeutische Ziele beim SLE zu nutzen. Es bleibt jedoch an dieser Stelle noch zu klären, ob CREMα und/oder Stat3 auch Chromatin Remodeling während der physiologischen Generierung von DN oder CD4+ T Helfer Zellen kontrollieren oder ob sie ausschließlich oder zumindest in gesteigertem Maße an der pathologischen Generierung von Effektor T Zellen bei Autoimmunerkrankungen beteiligt sein. Die translationale Bedeutung unserer Beobachtungen wird durch den neuerdings begonnenen Einsatz von JAK/Stat Inhibitoren in der Therapie verschiedener Autoimmunerkrankungen unterstrichen. / Systemic lupus erythematosus (SLE) is a severe autoimmune disease that can affect any organ of the human body. Despite intense efforts towards a better understanding, the pathophysiology of SLE remains largely unknown. A number of cellular and molecular anomalies have been reported in immune cells from patients with SLE, and increased activation of B and T lymphocytes are considered hallmarks of the disease. Several alterations to T cell function and phenotypes have been reported, including the increased expression of the transcription factors cAMP response element modulatorα (CREM α) and signal transducer and activator of transcription 3 (Stat3). A role of CREMα in the generation of effector T cells has been demonstrated. Enhanced expression of CREMα is (at least partially) responsible for increased expression of IL-17A and reduced expression of IL-2 from effector T cells in SLE patients; and altered cytokine expression contributes to the pathophysiology and tissue damage. In addition to well-characterized effector CD4+ T cells, TCR+CD3+CD4-CD8-, so-called “double negative” (DN) T cells, also play a role in the pathophysiology of SLE. Increased numbers of DN T cells in the peripheral blood of SLE patients invade inflamed tissues, including the kidneys, where they produce IL-17A and contribute to tissue damage. Double negative T cells can derive from CD8+ T cells through the down-regulation of CD8 co-receptor expression. Thus, we asked whether CREMα may be involved in this process. In the studies presented here, we demonstrate that CREMα recruits to highly conserved non-coding sequences of the CD8 gene cluster and trans-represses the CD8B promoter. Thus, CREMα is the first reported transcription factor that negatively regulates CD8 expression. Furthermore, CREMα co-recruits DNA methyltransferase (DNMT)3a and histone methyltransferase G9a to highly conserved regions within the CD8 cluster in CD8+ T cells. Through these interactions, CREMα induces chromatin condensation, reduced CD8 expression, and the generation of DN T cells. Since CREMα expression is greater in T cells from SLE patients and lupus-prone MRL.lpr mice, the reported effects may play a role in several autoimmune disorders that are characterized by increased numbers of DN T cells (such as autoimmune lymphoproliferative syndrome; ALPS). Stat family transcription factors play a role during the differentiation and activation of T cells. Particularly Stat3 and Stat5 appear to be of central importance to the balance between effector Th17 phenotypes (Stat3) and regulatory T cells (Stat5). Stat3 is involved in the generation of IL-17A producing CD4+ Th17 cells, which contribute to tissue damage. Through the induction of cytokines other than IL-17A (e.g. IL-6, IL-10, IL-21), effects of Stat3 are not limited to individual T helper cell populations. Interleukin-10 is an immune-regulatory cytokine. In addition to anti-inflammatory effects, IL-10 is involved in the activation of B lymphocytes and induces immunoglobulin production. Increased IL-10 serum levels in SLE patients and a cohort of SLE patients that clinically responded to therapeutic blockade of IL-10 suggest a pathophysiological role for IL-10 in the disease. As with IL17A, the IL10 gene is regulated by Stat transcription factors. Since expression and activation of Stat3 are increased in T cells from patients with SLE, we investigated effects of dysbalanced Stat activation on the IL10 gene. In the presented study, we demonstrate that Stat3 and Stat5 trans-activate IL10 and induce epigenetic remodeling through co-recruitment of p300. The transcriptional co-activator p300 functions as histone acetyltransferase and induced epigenetic “opening” of the IL10 gene. In T cells from SLE patients, recruitment of Stat3 is enhanced by reduced levels of DNA methylation of the proximal promoter and an intronic enhancer, harboring a Stat responsive element (I-SRE). Stat3 replaces the transcription factor Stat5 at I-SRE in a potentially competitive manner. Altogether, these effects result in increased expression of IL-10 in T cells from patients with SLE. Activation of Stat3 induces the expression of a number of cytokines. Since Stat3 activation is enhanced in several autoimmune/inflammatory disorders, including SLE, we concluded that Stat3-mediated effects on gene expression are most likely not limited to just IL-10 expression in SLE. The herewith reported observations suggest high potential for the application of dysregulated transcription factor networks, particularly CREMα and Stat3, as biomarkers and/or molecular targets for future therapeutic interventions in SLE. However, it remains to be investigated whether and to what extent CREMα and/or Stat3 are involved in chromatin remodeling during the physiological generation of DN and CD4+ T helper cell subsets, or whether they contribute exclusively to the generation of effector T cell phenotypes in SLE and other autoimmune/inflammatory disorders. The translational importance of our observations is underscored by the recently initiated application of JAK/Stat inhibitors in the treatment of autoimmune/inflammatory conditions.

Stimulating lymphocytes with Ifn-γ, anti-CD3, and interleukin-2 promotes the proliferation of a cell population coexpressing T-lymphocyte surface antigens such as CD3, CD8a, and CD25 as well as natural killer cell markers such as NK1.1, CD49, and CD69. These cells, referred to as cytokine-induced killer cells (CIKs), display cytotoxic activity against tumour cells, even without prior antigen presentation, and offer a new cell-based approach to the treatment of malignant diseases. Because CIKs are limited in vivo, strategies to optimize in vitro culture yield are required. In the last 10 years, mesenchymal stem cells (MSCs) have gathered considerable attention. Aside from their uses in tissue engineering and as support in haematopoietic stem cell transplantations, MSCs show notable immunomodulatory characteristics, providing further possibilities for therapeutic applications. In this study, we investigated the influence of murine MSCs on proliferation, phenotype, vitality, and cytotoxicity of murine CIKs in a coculture system. We found that CIKs in coculture proliferated within 7 days, with an average growth factor of 18.84, whereas controls grew with an average factor of 3.7 in the same period. Furthermore, higher vitality was noted in cocultured CIKs than in controls. Cell phenotype was unaffected by coculture with MSCs and, notably, coculture did not impact cytotoxicity against the tumour cells analysed. The findings suggest that cell–cell contact is primarily responsible for these effects. Humoral interactions play only a minor role. Furthermore, no phenotypical MSCs were detected after coculture for 4 h, suggesting the occurrence of immune reactions between CIKs and MSCs. Further investigations with DiD-labelled MSCs revealed that the observed disappearance of MSCs appears not to be due to differentiation processes.

No description available.

Neuere Untersuchungen legen eine kardioprotektive Rolle für den Angiotensin AT2-Rezeptor nahe, welcher die Postinfarkt-Entzündungsreaktion vermindert, wobei der zelluläre Mechanismus noch wenig verstanden ist. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die potentielle Rolle des AT2-Rezeptors in der zellulären Immunantwort auf ischemische Herzverletzungen zu ergründen. Sieben Tage nach myokardialem Infarkt in Ratten wurde der AT2-Rezeptor mittels Immunfluoreszenzfärbung von Gewebeschnitten in einer CD8 T-Zellfraktion detektiert, die das Peri-Infarkt-Myokard infiltiert hatte. Wir haben eine Methode entwickelt, die es mittels kombinierter MACS und FACS Technilogie ermöglicht, CD8+AT2R+ T-Zellen aus dem Myokard zu isolieren und zu analysieren. Im Gegensatz zu den CD8+AT2R- T-Zellen, die in Kultur sowohl auf adulte als auch auf fötale Kardiomyozyten stark zytotoxisch wirkten, zeigten die CD8+AT2R+ T-Zellen keinerlei Zytotoxizität. Die CD8+AT2R+ T-Zellen zeigten eine erhöhte Expression von IL-10 und eine geringere mRNA Expression von IL-2 und IFN-gamma im Vergleich zu CD8+AT2R-T-Zellen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass in vitro Stimulation des AT2-Rezeptors zur Hochregulation der IL-10-Expression von CD8+ T-Zellen führt. Entsprechend führt die in vivo Aktivierung des AT2-Rezeptors zur Vergrößerung der CD8+AT2R+ T-Zellpopulation und erhöhter IL-10-Produktion im ischemischen Myokard. Diese CD8+AT2R+ T-Zellen konnten auch in humanem periphärem Blut detektiert werden. Wir haben eine CD8+AT2+T-Zellpopulation definiert, welche sich während ischemischer Herzverletzung vergrößert und das Kardiomyocytenüberleben mittels kardioprotektivem IL-10 aufrechterhält. Somit konnten wir einen neuartigen AT2-Rezeptorvermittelten zellulären Mechanismus aufdecken, welcher die adaptive Immunantwort im Herzen moduliert. / One important aspect of cardiac remodeling after myocardial infarction is the activation of an immune response, which removes death cardiomyocytes and initiates scar formation. On the other hand, activation and infiltration of immunocompetent cells are responsible for augmenting damage in non-infarcted areas. Emerging evidence suggests a cardioprotective role of the angiotensin AT2R by attenuating this post-infarct inflammatory reaction, albeit the underlying cellular mechanisms are not well understood. We aimed here at elucidating a potential role of the cardiac angiotensin AT2R in regulating the cellular immune response to ischemic heart injury. Seven days after myocardial infarction in rats, immunofluorescence staining of tissue sections showed that AT2R was detected in a fraction of CD8+ T cells infiltrating the peri-infarct myocardium. We developed a method that allowed the isolation and characterization of CD8+AT2R+ T cells infiltrating the myocardium via combined MACS and FACS technology. While the CD8+AT2R- T cells exhibited potent cytotoxicity to both adult and fetal cardiomyocytes in vitro, the CD8+AT2R+ T cells were non-cytotoxic to these cardiomyocytes. The CD8+AT2R+ T cells were characterized by upregulated IL-10 and downregulated IL-2 and INF-gamma gene expression when compared to CD8+AT2R- T cells. We further showed that IL-10 gene expression was enhanced in CD8+ T cells upon in vitro AT2R stimulation. In addition, in vivo AT2R activation leads to an increment of the CD8+AT2R+ T cells and IL-10 production in the ischemic myocardium. Moreover, the CD8+AT2R+ T cell population was also detected in human peripheral blood. We have defined a CD8+ T cell population that expresses AT2R and increases during ischemic heart injury. This population sustains cardiomyocyte viability by providing cardioprotective IL-1 via a novel AT2R-mediated cellular mechanism for modulating adaptive immune response in the heart.

Auch unter physiologischen Bedingungen finden sich T-Zellen und andere Leukozyten nicht nur in den Sinusoiden, sondern auch im Parenchym der Leber. Da die Leber u. a. verschiedene Aufgaben für das Immunsystem übernimmt (z. B. Deletion aktivierter T Zellen, Induktion peripherer Toleranz), könnte die Akkumulation der T-Zellen in der Leber - neben der immunologischen Überwachung der Leber - Voraussetzung für ihre Modulation sein. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Leber-sinusoidalen Endothelzellen (LSEC), der Barriere zwischen Blut und Leber-Parenchym, auf CD4+ T-Zellen untersucht. Zum einen zeigte sich, dass die LSEC sowohl die spontane Transmigration der T-Zellen, als auch ihre Chemotaxis zu CXCL9 und CXCL12 effizienter unterstützen als andere Endothelien. Eine endotheliale Aktivierung durch die Chemokine wurde als Mechanismus ausgeschlossen. Dagegen schien eine effiziente Präsentation der Chemokine auf der luminalen LSEC-Oberfläche nach Aufnahme von abluminal für die gesteigerte Transmigration der T Zellen verantwortlich zu sein. Die LSEC könnten somit in vivo an der Rekrutierung von T-Zellen in die Leber beteiligt sein, indem sie eine rasche Wanderung der T-Zellen aus dem Blut ins Parenchym und möglicherweise auch zurück in die Zirkulation zulassen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die LSEC fähig sind, naive CD4+ T-Zellen in vitro Antigen-spezifisch zu aktivieren. Im Vergleich zu professionellen APZ war hierfür eine höhere Antigen-Dosis notwendig, die Expansion schwächer und es waren kaum Effektorzytokin-Produzenten detektierbar. Diese konnten jedoch durch Restimulierung mit professionellen APZ induziert werden (reversibler Phänotyp), was auf einen unreifen Differenzierungsstatus der T-Zellen schließen ließ. Es bleibt zu prüfen, in welchem Maße die Aktivierung naiver CD4+ T-Zellen durch LSEC in vivo stattfindet und diese durch LSEC aktivierten CD4+ T-Zellen funktionelle Bedeutung, z. B. regulatorische Kapazität, für das Immunsystem besitzen. / The liver plays a major role for the metabolism, but it is also of general importance for the immune system, e.g. for the deletion of activated T cells or the induction of peripheral tolerance. Under physiological conditions T cells and other leukocytes can be found in the liver, in the sinusoids as well as in the parenchyma. This hepatic accumulation of T cells might be due to immunosurveillance, but it would also be a prerequisite for modulation of T cells by hepatic cells. The present study investigated two different aspects of the interaction of liver sinusoidal endothelial cells (LSEC), the barrier between the sinusoidal lumen and the hepatic parenchyma, and CD4+ T cells. In the first part of the study it could be demonstrated that LSEC support the spontaneous transmigration of CD4+ T cells as well as their chemotaxis to CXCL12 and CXCL9 more efficiently than other endothelial cells. Whereas a direct endothelial activation by chemokines could be excluded the efficient chemokine presentation at the luminal LSEC surface (after abluminal uptake) might be responsible for the enhanced T cell transmigration. The findings suggest that LSEC might be involved in the recruitment of T cells by supporting a rapid transendothelial migration. The second part of the study focused on the characteristics of LSEC in the context of antigen presentation. LSEC were able to prime and expand naïve CD4+ T cells in vitro but less effective than professional APC as proven by weaker expansion of cells, a requirement for higher antigen concentration and the lack of cytokine producing T cells. The “immature effector” phenotype of the CD4+ T cells primed on LSEC was reversible since it could be overcome by restimulation on professional APC. In conclusion these data suggest that antigen presentation by LSEC results in activation but incomplete differentiation of CD4+ T cells.

Stimulating lymphocytes with Ifn-γ, anti-CD3, and interleukin-2 promotes the proliferation of a cell population coexpressing T-lymphocyte surface antigens such as CD3, CD8a, and CD25 as well as natural killer cell markers such as NK1.1, CD49, and CD69. These cells, referred to as cytokine-induced killer cells (CIKs), display cytotoxic activity against tumour cells, even without prior antigen presentation, and offer a new cell-based approach to the treatment of malignant diseases. Because CIKs are limited in vivo, strategies to optimize in vitro culture yield are required. In the last 10 years, mesenchymal stem cells (MSCs) have gathered considerable attention. Aside from their uses in tissue engineering and as support in haematopoietic stem cell transplantations, MSCs show notable immunomodulatory characteristics, providing further possibilities for therapeutic applications. In this study, we investigated the influence of murine MSCs on proliferation, phenotype, vitality, and cytotoxicity of murine CIKs in a coculture system. We found that CIKs in coculture proliferated within 7 days, with an average growth factor of 18.84, whereas controls grew with an average factor of 3.7 in the same period. Furthermore, higher vitality was noted in cocultured CIKs than in controls. Cell phenotype was unaffected by coculture with MSCs and, notably, coculture did not impact cytotoxicity against the tumour cells analysed. The findings suggest that cell–cell contact is primarily responsible for these effects. Humoral interactions play only a minor role. Furthermore, no phenotypical MSCs were detected after coculture for 4 h, suggesting the occurrence of immune reactions between CIKs and MSCs. Further investigations with DiD-labelled MSCs revealed that the observed disappearance of MSCs appears not to be due to differentiation processes.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Bibliographische Beschreibung V Abkürzungsverzeichnis VII 1 Einleitung 1 1.1 CIK-Zellen (CIK) 3 1.1.1 Merkmale von CIK-Zellen 3 1.1.2 Wirkungsmechanismen von CIK-Zellen 3 1.1.3 Studienlage 4 1.1.4 Bisherige Ansätze zur Verbesserung der Kultivierungsbedingungen 6 1.2 Mesenchymale Stammzellen (MSC) 7 1.2.1 Allgemein 7 1.2.2 Differenzierung von MSC 7 1.2.3 Heterogenität und Einflussfaktoren der MSC - Identitätsproblematik 8 1.2.4 Charakterisierung von MSC 9 1.2.5 Therapeutische Einsatzmöglichkeiten von MSC 11 2 Zielformulierung 15 3 Material und Methoden 16 3.1 Tiere 16 3.2 Materialien 17 3.2.1 Materialien für Zellkultur 17 3.2.2 Materialien für FACS-Analyse 18 3.2.3 Materialien für Zytotoxizitätsassay 19 3.2.4 Materialien für CFU-F-Assay 20 3.3 Methoden 21 3.3.1 Statistische Auswertung 21 3.3.2 Zellkultur 22 3.3.3 FACS (Fluorescence Activated Cell Sorting) 26 3.3.4 Markierung der MSC mit DiD 28 3.3.5 Zytotoxizitätsassay (LDH-Freisetzungsassay) 29 3.3.6 CFU-F-Assay 32 4 Ergebnisse 34 4.1 Beeinflussung der Wachstumskurve 34 4.1.1 Der Wachstumskurvenverlauf von CIK-Zellen (Kontrollen) 34 4.1.2 Der Wachstumskurvenverlauf von CIK-Zellen in der Kokultur mit MSC 35 4.1.3 Der Wachstumskurvenverlauf in MSC-konditioniertem Medium 37 4.1.4 Der Wachstumskurvenverlauf bei Restimulierung an Tag 14 38 4.2 Beeinflussung des Oberflächenphänotyps 40 4.2.1 Der Oberflächenphänotyp von CIK-Zellen 40 4.2.2 Vergleich Oberflächenphänotyp Kontrollen mit kokultivierten CIK 43 4.3 Beeinflussung der Vitalität 46 4.4 Beeinflussung der Zytotoxizität 48 4.5 Identifizierung der MSC 49 4.5.1 Adhärenz an Plastikoberflächen 50 4.5.2 Fibroblastenähnliche Wachstumsmorphologie 50 4.5.3 Wachstum in Colony-Forming-Units 51 4.5.4 Der Oberflächenphänotyp von MSC 53 4.6 Schicksal der MSC in der Kokultur 54 4.6.1 Der Oberflächenphänotyp der adhärenten Zellen nach Kokultur 54 4.6.2 Kokultur mit DiD gelabelten MSC 57 5 Diskussion 59 5.1 Beeinflussung der Wachstumskurve 60 5.1.1 Mechanismen der Beeinflussung des Wachstumskurvenverlaufs 60 5.1.2 Fehlerbetrachtung 68 5.2 Identifizierung der CIK sowie Beeinflussung von Phänotyp und Vitalität 69 5.3 Beeinflussung der Zytotoxizität 70 5.3.1 Vergleich Zytotoxizität Kontrollen mit Kokulturen 70 5.3.2 Fehlerbetrachtung 71 5.4 Identifizierung der MSC 72 6 Schlussfolgerung 75 7 Ausblick 77 8 Zusammenfassung 79 Literaturverzeichnis 83 Danksagung I

Für medizinische Anwendungen sind Stammzellen aufgrund ihrer Eigenschaften (Selbsterneuerung, hohe Proliferationsrate und Differenzierungsmöglichkeit in verschiedene Zelltypen) beispielsweise in den Bereichen des regenerativen Gewebeersatzes und der Zelltherapie sehr interessant. In vivo umgibt die Stammzellen eine definierte Mikroumgebung, die sie unterstützt sich zu teilen, ihren undifferenzierten Status aufrecht zu erhalten und Tochterzellen für das Wachstum, die routinemäßige Erneuerung oder den Ersatz von Gewebe zu produzieren. Diese Mikroumgebungen werden als Stammzellnischen bezeichnet. Für die Kultivierung von Stammzellen in vitro muss die in vivo-Situation möglichst getreu nachgestaltet werden. Ziel der Forschung ist die Schaffung einer künstlichen Umgebung, die sowohl die funktionellen Eigenschaften einer Nische besitzt als auch frei von Risiken xenogener Pathogene oder Gewebeunverträglichkeiten für die Anwendung am humanen Organismus eingesetzt werden kann. Einen Ansatz dafür bietet beispielsweise die Kopplung von Faktoren, die für den Erhalt der Stammzelleigenschaften notwendig sind, an synthetische Oberflächen. Ausgehend vom Bedarf an Kultur- oder Modellsystemen für die Expansion von (embryonalen) Stammzellen sollte in dieser Arbeit analysiert werden, ob alternierende Maleinsäureanhydrid (MA)-Copolymere ein geeignetes Trägersystem für die biofunktionelle kovalente Immobilisierung spezifischer Zytokine sind und dadurch unter anderem als künstliche Stammzellnische Anwendung finden können. MA-Copolymere eignen sich aufgrund ihrer spontanen Reaktion mit Aminogruppen für die Immobilisierung von Proteinen. Das Zytokin LIF (Leukemia inhibitory factor) existiert in vivo auch in immobilisierter Form und ist in embryonalen Mausstammzellen (mESC) allein in der Lage, das Stammzellpotential dieser Zellen zu erhalten. Aus diesem Grund ist LIF für die Analyse der Aufgabenstellung geeignet. Nach der Charakterisierung LIF-modifizierter Oberflächen wurde die biologische Verfügbarkeit des kovalent immobilisierten Zytokins mit Hilfe von LIF-sensitiven Fibroblasten und mESC der Linie R1 überprüft. Anschließend wurde im Mausmodell in vivo der Erhalt der Pluripotenz der mESC durch immobilisiertes LIF analysiert. Dafür standen die Oberflächen Poly(ethylen-alt-maleinsäureanhydrid) (PEMA) und Poly(octadecen-alt-maleinsäureanhydrid) (POMA) jeweils ohne und mit Polyethylenglykol (PEG7)-Modifizierung zur Verfügung, an die LIF kovalent gekoppelt wurde. Zusätzlich wurde LIF physisorptiv an einer Kollagen-Fibronektin-Matrix über hydrolysiertem POMA immobilisiert. Mit Hilfe von radioaktiv markiertem LIF konnte gezeigt werden, dass die Gesamtbeladungsmenge mit Zytokin von den Eigenschaften der MA-modifizierten Träger abhing. Auf PEMA konnten mit steigenden Immobilisierungskonzentrationen höhere Belegungsdichten an der Oberfläche erreicht werden, die im analysierten Bereich eine lineare Abhängigkeit zeigten. Aufgrund der starken Quellung in wässrigen Lösungen war eine Einlagerung von LIF-Molekülen in die Polymerschicht möglich und führte bei hohen Immobilisierungskonzentrationen auch nach 3 Tagen Inkubation mit proteinhaltigem Medium noch zur Verdrängung nicht kovalent gebundener Zytokinmoleküle aus PEMA-Oberflächen. Obwohl ein Teil des LIF in die Polymerschicht eindrang, war der Großteil der Moleküle für einen spezifischen Antikörper zugänglich. Hydrophobe Oberflächen mit POMA konnten bei hohen Immobilisierungskonzentrationen weniger LIF binden und zeigten Sättigungsverhalten der Oberflächen bei einer Belegungsdichte von 178 ng/cm^2 LIF. Eine Freisetzung von LIF nach mehr als 3 Tagen konnte nicht beobachtet werden. Gleichzeitig war hier aufgrund der hydrophoben Polymerseitenketten die Antikörperzugänglichkeit deutlich reduziert. Wegen des geringen Quellungsverhaltens von POMA in wässrigen Lösungen konnte eine Einlagerung des immobilisierten Zytokins in die Polymerschicht aber ausgeschlossen werden. Die kovalente LIF-Immobilisierung über PEG7-Spacer führte im Vergleich zu den nicht PEG-modifizierten Oberflächen PEMA und POMA zu jeweils geringeren Belegungsdichten, ohne dabei den Charakter der Abhängigkeit von der Immobilisierungskonzentration zu verändern (linear für PEMA+PEG7, Sättigung für POMA+PEG7). Die schlechte Antikörperzugänglichkeit von immobilisiertem LIF auf POMA konnte durch die Einführung des PEG7-Spacers deutlich verbessert werden und erreichte einen Wert ähnlich dem der hydrophilen PEMA-Oberflächen. Kovalent immobilisiertes LIF zeigte auf den vier MA-Oberflächen homogene und definiert einstellbare Belegungsdichten auf den einzelnen Proben. Die physisorptive Immobilisierung von LIF an extrazelluläre Matrixkomponenten auf hydrolysiertem POMA führte zu inhomogenen und bereits bei geringen Immobilisierungskonzentrationen instabilen Belegungsdichten. Die Einstellung definierter Belegungsdichten und die homogene Verfügbarkeit des Zytokins sind für die spätere Anwendung bei der Kultivierung wichtig, da so allen Zellen die gleiche definierte Zytokindosis unabhängig von der Oberflächencharakteristik präsentiert wird und Populationsunterschiede vermieden werden. LIF-sensitive Mausfibroblasten der Linie NIH3T3 reagierten auf immobilisiertes LIF mit der Aktivierung des Signalwegproteins STAT3. Durch den direkten Vergleich von STAT3-Aktivierungsprofilen nach Stimulation mit gelöstem oder immobilisiertem LIF konnte gezeigt werden, dass durch beide Präsentationsformen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Stimulationsbeginn eine starke Aktivierung von STAT3 erfolgt, die anschließend wieder abklingt. Die Profile beider Präsentationsformen unterschieden sich in ihren Intensitäten nur bei der starken STAT3-Aktivierung. Dabei ergaben sich bei gelöstem LIF aufgrund der größeren Kontaktfläche mit Zytokin (gesamte Zelloberfläche) etwas stärkere Aktivierungen. Durch die sehr ähnlichen Aktivierungsprofile konnte nachgewiesen werden, dass das Zytokin LIF für Zellen zugänglich an MA-Copolymere mit und ohne Spacer-Modifizierung immobilisiert werden kann. Dabei lag ein Teil der Moleküle in einer Konformation und Orientierung gebunden vor, die die Funktionalität des Zytokins erhalten konnten. Zwischen den Oberflächen mit kovalenter LIF-Immobilisierung konnten keine wesentlichen Unterschiede in der STAT3-Aktivierung festgestellt werden. LIF war an all diesen Oberflächen für die LIF-sensitiven NIH3T3 Mausfibroblasten biologisch verfügbar. LIF-abhängige embryonale Mausstammzellen (mESC) reagierten nach 72 Stunden LIF-Stimulation mit der Aktivierung von STAT3. Bei Belegungsdichten ab 8 ng/cm^2 kovalent immobilisiertem LIF auf POMA mit und ohne PEG7-Spacer konnten ähnliche Aktivierungen wie durch die Stimulation mit gelöstem LIF festgestellt werden. Dies bestätigte die biofunktionelle LIF-Immobilisierung. Zwischen den POMA-Oberflächen mit und ohne PEG7 war dabei kein deutlicher Unterschied erkennbar. Eine reduzierte Zugänglichkeit des Antikörpers auf POMA beeinflusste demnach die biologische Verfügbarkeit des Zytokins für die mESC nicht. Der Erhalt des Stammzellpotentials durch kovalent an POMA gebundenes LIF konnte in vitro durch die Präsenz von Oct4 im Zellkern der mESC nachgewiesen werden. Durch die instabile Immobilisierung bei physisorptiver Assoziation des Zytokins an Matrixkomponenten über hydrolysiertem POMA reduzierte sich der Erhalt des Stammzellpotentials auf diesen Oberflächen stark. Kovalent immobilisiertes LIF dagegen konnte auch während der Kultur über mehrere Passagen hinweg die Pluripotenz der murinen ESC erhalten. Nach der Fusion mit Blastozysten beteiligten sich diese kultivierten Zellen in vivo erfolgreich an der Bildung von Chimären. Dabei konnten keine Unterschiede der Chimärenhäufigkeit zwischen der Kultivierung der mESC mit gelöstem oder kovalent an POMA immobilisiertem LIF festgestellt werden. Kovalent an MA-Copolymere immobilisiertes LIF ist demnach in der Lage, gelöstes LIF vollständig zu ersetzen und über mehrere Passagen hinweg allein das Stammzellpotential von mESC zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich MA-Copolymere für die funktionelle kovalente Immobilisierung von Signalmolekülen eignen. Dabei konnten keine starken Unterschiede bei der Reaktion der Zellen auf die Oberflächen PEMA oder POMA festgestellt werden. Auch die Einführung eines zusätzlichen Spacers war für die Signaltransduktion nach Stimulation mit kovalent immobilisiertem LIF nicht notwendig. Für künftige Arbeiten zur kovalenten Immobilisierung von LIF an MA-Copolymeren ist deshalb aus Stabilitäts- und Effizienzgründen die Oberfläche POMA zu bevorzugen. Diese Favorisierung kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Tertiärstruktur anderer Proteine und ihrer verschiedenen Steifigkeiten sowie bei der Verwendung anderer Zelltypen nicht automatisch für ein anderes Modellsystem übernommen werden. Die Verwendung hydrophiler Oberflächen oder die Kopplung über Spacer sollte demnach in Abhängigkeit vom zu immobilisierenden Protein und den auszusiedelnden Zellen geprüft werden. Die vorgestellte Kopplungsmethode umgeht die Modifikation des Proteins sowie Behandlungen zur Vernetzung des Zytokins. Die Immobilisierungsreaktion ist bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck sowie unter sterilen Bedingungen durchführbar. Immobilisierte Zytokine werden homogen kovalent an der Oberfläche gebunden und sind dort für die Zellen zugänglich. Außerdem ermöglicht die Einstellung definierter Belegungsdichten die gezielte Applikation von Zytokindosen. MA-Copolymere sind somit nicht nur für die Kultivierung von Stammzellen unter Erhaltung des Stammzellstatus einsetzbar, sondern eignen sich auch für Differenzierungsstudien. Teilergebnisse dieser Arbeit wurden publiziert unter K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008 und T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010. / In vitro cultivation of (embryonic) stem cells requires a defined environment. Together different properties as cytokine supplement, extracellular matrix composition or topographic design can mimic this stem cell niche in an artificial system. For mouse embryonic stem cells the cytokine leukemia inhibitory factor (LIF) is able to keep those cells in undifferentiated state and to enhance self renewal without the supplement of other factors. In vivo LIF exists in both diffusible and extracellular matrix immobilized form. This work investigates whether LIF can be immobilized covalently to alternating maleic anhydride (MA)-copolymers in a functional manner. When bioavailable, covalently immobilized LIF should be able to interact with specific cytokine receptor subunits and provide information to keep murine embryonic stem cells in a pluripotent state. In aqueous solution with neutral pH (such as phosphate buffered saline, PBS) and ambient temperature and pressure MA-copolymers react spontaneously with aminogroups and therefore represent a useful support for covalent protein immobilization. Depending on the choice of co-monomer, properties of copolymer vary: ethylene results in hydrophilic poly-(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), octadecene in more hydrophobic poly-(octadecene-alt-maleic anhydride) (POMA). LIF can be covalently immobilized onto the MA-copolymers as shown by radiolabeling experiments. The amount of cytokine coupled to PEMA increased linear whereas on POMA saturation could be observed for higher concentrations. A subsequent coupling of a polyethylene glycol spacer (PEG7) further modified the properties and led to more hydrophilic surfaces. The amount of LIF per area decreased in comparison to MA-copolymers without the spacer but the graph characteristics remained unaltered (linear for PEMA+PEG7, saturation for POMA+PEG7). During the first three days in buffer solution supplemented with bovine serum albumin, unbound LIF was displaced and the amount of immobilized cytokine remained stable. This Stability after preincubation allowed to immobilize required amounts of LIF per area. Although hydrophilic surfaces with PEMA showed swelling behavior resulting in increased layer thickness after incubation in PBS, accessibility to LIF for an antibody was not impaired. The amounts per area detected by radiolabeling method and using the antibody were similar and indicated that LIF was not covered by copolymers. For cell culture addition of diffusible as well as immobilized growth factors or cytokines requires dosage control. Frequently it is necessary to provide homogeneous distribution of the factor of interest. In the present study analysis by fluorescence microscopy confirmed homogeneity for surfaces with covalently immobilized LIF (iLIF) but not for LIF physisorbed to extracellular matrix components collagen type I and fibronectin. LIF transduces signals via the JAK/STAT pathway. Preliminary experiments with LIF-sensitive fibroblasts showed similar activation of STAT3 after stimulation with immobilized or diffusible LIF. The results of STAT3 activation revealed an activation profile with high intensities within the first 15 minutes for both immobilized and diffusible LIF followed by decrease. STAT3 activation profiles were similar on different surfaces and independent of LIF presentation mode. These results revealed that fibroblasts could recognize covalently immobilized LIF onto MA-copolymers and were able to activate STAT3. In the absence of LIF mESC start to differentiate within 24 to 36 hours and loose their pluripotency. To confirm the functional immobilization of LIF mouse embryonic stem cells (mESC) were cultivated on iLIF-modified POMA or POMA+PEG7 surfaces for 72 hours and stained for activated STAT3. Results showed a dose-dependent activation increasing with the iLIF amount per area. Higher amounts (8 and 75 ng/cm^2) of iLIF activated STAT3 similar to 10 ng/ml diffusible LIF. Introduction of PEG7 spacer did not further increased STAT3 activation. Both, the amount of ESC marker Oct4 and the percentage of Oct4-positive cells increased with higher amounts of iLIF and showed similar results as obtained with 10 ng/ml diffusible LIF. Murine ESC cultivated on LIF physisorbed to matrix components expressed similar amounts of transcription factor Oct4 compared to unstimulated cells. STAT3 activation and Oct4 expression in the absence of diffusible cytokine indicated a functional covalent immobilization of LIF. To confirm the pluripotency, mESC were stimulated for 6 to 8 subcultures only with iLIF, cell aggregates were fused with mouse embryos and implanted in pseudopregnant surrogate mothers. Three weeks after birth the contribution of mESC aggregates to chimera was evaluated. ESC stimulated with iLIF only contributed to chimera formation with around the same frequency as mESC cultivated with 10 ng/ml diffusible LIF. Thus, iLIF maintained pluripotency of mESC during in vitro expansion and could replace diffusible LIF. As shown by the experiments, MA-copolymers provide a support to covalently immobilize cell signaling molecules in a functional manner. This method of coupling does not need any protein modification or cross-linking treatment after protein incubation. Reaction can be carried out under sterile conditions at ambient temperature and pressure. The immobilized ligand is distributed equally on the supporting copolymer and the adjustment of required ligand amounts is possible. These properties characterize MA-copolymers as a suitable support to immobilize cell signaling molecules not only for keeping the stem cell fate but also for differentiation studies. Parts of this work were published: K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008. T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010.