Ischämische Herzerkrankungen stellen die weltweit häufigste Todesursache dar. Das Chemokin SDF-1 zählt zu den vielversprechendsten neuen Therapietargets. Allerdings werden die dem SDF-1 Effekt zugrunde liegenden Mechanismen kontrovers diskutiert. Um den Einfluss von SDF-1 auf die Herzregeneration aufzuklären, wurden transgene Ratten generiert, welche SDF-1 in Kardiomyozyten überexprimieren. Die basale Herzfunktion war in diesen Ratten nicht verändert, jedoch zeigte sich nach Herzinfarkt eine Verschlechterung der kardialen Funktion. Des Weiteren ließen sich eine verstärkte Fibrosebildung, ein Anstieg neutrophiler Granulozyten im Blut sowie eine erhöhte Einwanderung von Makrophagen in die Herzen transgener Ratten feststellen. Dagegen waren die Anlockung von Stammzellen und die Blutgefäßneubildung nicht verändert. Diese Daten bestätigen, dass kardiales SDF-1 eine nachteilige Wirkung ausüben kann, indem es entzündliche Prozesse im geschädigten Gewebe beeinflusst. Ferner wurde ein Microarray-basiertes Screening in kardialem Gewebe nach Herzinfarkt durchgeführt. Ziel der Studie war die Identifizierung neuer Moleküle, deren Rolle bei Herzerkrankungen bislang unbekannt ist. Das Screening brachte das Glykoprotein GPNMB hervor, welches an fibrotischen Prozessen nach Gewebeschädigung beteiligt ist. Wir untersuchten das Protein mit Hilfe des DBA/2J Mausstammes, in dem kein funktionelles GPNMB vorhanden ist. Die Untersuchung dieser Mäuse ergab keine Veränderungen der basalen Herzfunktion, nach Herzinfarkt zeigte sich jedoch eine verbesserte kardiale Funktion sowie erhöhte Hämoglobinkonzentrationen im Blut. Außerdem war die Funktion von Makrophagen verändert. Darüber hinaus fanden wir erhöhte Konzentrationen von GPNMB in Plasmaproben von Patienten nach akutem Herzinfarkt. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass GPNMB nicht nur ein vielversprechendes Therapietarget, sondern auch einen potenziellen Biomarker für ischämische Herzerkrankungen darstellt. / Ischemic heart diseases are a major cause of death worldwide due to the postmitotic state of the heart. The chemokine SDF-1 is one of the most promising novel therapeutic targets due to its ability to attract leukocytes and stem cells. However, the role of different cardiac cell types in this process remains elusive and underlying mechanisms have been controversially discussed. To clarify the role of SDF-1 and its receptor CXCR4 in myocardial regeneration, we generated transgenic rats overexpressing SDF-1 in cardiomyocytes. The function of the heart at baseline was not altered in these rats, whereas the induction of myocardial infarction resulted in impaired cardiac function and remodeling. This finding was accompanied by increased fibrosis, neutrophil blood counts and macrophage infiltration into the heart. On the other hand, stem cell recruitment and neovascularization were not altered in SDF-1 transgenic rats. In conclusion, our findings confirm that the SDF-1/CXCR4 axis can have adverse effects by affecting the inflammatory state of the healing heart. In addition, a microarray-based screening was conducted in rat hearts after myocardial infarction with the aim to discover yet unknown molecules involved in cardiac repair. This screening yielded GPNMB, a glycoprotein known to be involved in inflammatory and fibrotic processes after tissue injury. We studied the protein further using DBA/2J mice that lack functional levels of GPNMB. While the cardiac function was normal in these mice at baseline, induction of myocardial infarction revealed a preservation of cardiac function, less dilatation as well as higher red blood cell and hemoglobin levels. Moreover, the absence of GPNMB resulted in an altered activity and distribution of macrophages. We also found increased levels of GPNMB in plasma of patients after myocardial infarction. In conclusion, our findings suggest that GPNMB might constitute a novel therapeutic target and biomarker of acute ischemic heart diseases.

Neutrophile sind Zellen des Immunsystems von Säugetieren. Ihre zerstörerische Kraft spielt eine essentielle Rolle bei der Bekämpfung von Mikroorganismen, birgt aber auch das Potential erheblicher Kollateralschäden. Um chronische Entzündungen zu vermeiden, müssen diese Zellen streng reguliert werden. Die Neutrophilen selber nehmen an dieser Regulierung durch das Freisetzen von pro- und antiinflammatorischen Signalen Teil, unter anderem produzieren sie Zytokine oder initiieren rechtzeitig die Apoptose. Ein Eckpfeiler der Regulierung dieser Funktionen ist der oxidative Burst, bei dem Neutrophile reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bilden. Die molekularen Ziele von ROS, welche diese Mechanismen regulieren, sind nicht alle identifiziert. Wir haben ataxia-telangiectasia mutated (ATM) Kinase, ein Regulator der DNA-Schadensantwort (DDR), als einen ROS-abhängigen Modulator von Neutrophilen identifiziert. Mutationen in ATM führen zu der Erkrankung Ataxia Telangiectasia (AT). AT Patienten leiden nicht nur unter den Folgen der fehlerhaften DNA-Reparatur sondern zeigen auch inflammationsassoziierte Krankheitserscheinigungen. Diese Beobachtung veranlasste uns, die Neutrophilen von AT Patienten genauer zu untersuchen. Wir zeigen, dass Neutrophile von AT Patienten erhöhte Menge an Zytokinen produzieren und Apoptose verzögern. Wir zeigen auch, dass DNA Schaden die Zytokinproduktion unterdrückt und Apoptose durch einen Mechanismus, der ATM, p38, und Chk2 verwendet initiiert. ROS sind notwendig für die endogene Regulierung dieser Prozesse. Diese Arbeit enthüllt einen neuartigen Mechanismus der Regulierung von Neutrophilen und etabliert die DDR als ein Ziel der ROS-gesteuerten Immunmodulation. Im Zusammenhang wird auch gezeigt, dass dysregulierte Neutrophilenaktivitäten einem inflammatorischen Phänotyp in AT zugrundeliegen könnte. Wir glauben, dass Entzündung eine treibende Kraft hinter Teilen der Pathologie von AT sein könnte und somit ein Ziel für klinische Intervention darstellt. / Neutrophils are cells of the mammalian innate immune system whose inflammatory functions are essential for microbial clearance but cause collateral tissue damage. Inflammation is regulated by both pro- and anti-inflammatory signals, including cytokine production and initiation of apoptosis. A cornerstone of the regulation of these functions is the oxidative burst, by which neutrophils generate reactive oxygen species (ROS). The downstream targets of ROS responsible for regulating these functions are not fully identified. We have identified ataxia telangiectasia mutated (ATM) kinase, a master regulator of the DNA damage response (DDR), as a ROS-dependent modulator of neutrophil responses. Mutations in ATM cause the disease Ataxia-telangiectasia (AT). In addition to disorders resulting from defective DNA repair, AT patients suffer from symptoms linked to inflammation, leading us to examine their neutrophil responses. We report that neutrophils from AT patients overproduce pro-inflammatory cytokines and delay apoptosis. We further show that DNA damage in neutrophils suppresses cytokine production and can initiate apoptosis via a mechanism involving ATM, p38, and Chk2. Furthermore, the oxidative burst was required for activation of ATM to regulate these processes.. This work reveals a novel mechanism for the regulation of neutrophil functions, establishing the DDR as a mediator of immune regulation by ROS. Furthermore, it indicates that neutrophil dysregulation may underlie chronic inflammation in AT patients. We propose that inflammation may be a driving force behind some of the pathology of AT, providing a potential target for clinical intervention for some symptoms of this currently untreatable disease.

Die niedrige Inzidenz chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED) in ostasiatischen Ländern im Vergleich zu Westeuropa und den USA könnte auf unterschiedliche Lebensstile und Ernährungsgewohnheiten zurückzuführen sein. Asiaten nehmen mit der Nahrung viel höhere Mengen an Isoflavonen zu sich als Europäer und US-Amerikaner. Diese sind in der Lage, wie natürliche Östrogene an Östrogenrezeptoren (ER) zu binden. Für das Östrogen 17β-Östradiol (E2) sowie selektive Liganden des ERβ sind antiinflammatorische Wirkungen im Darm bereits nachgewiesen worden. Diese Arbeit untersuchte in Modellsystemen für CED die antiinflammatorischen Eigenschaften von Isoflavonen, speziell von Genistein, und stellte einen Vergleich mit synthetischen ER-selektiven Liganden sowie E2 her, um die Involvierung der beiden ER-Subtypen zu evaluieren. In tierexperimentellen Studien wurde der Einfluss der Testsubstanzen auf Ausprägung und Verlauf einer Kolitis in zwei Nagermodellen (HLA-B27 transgene Ratte und TNBS-induzierte Kolitis) analysiert. Ein Ernährungsexperiment, in dem eine Gruppe der Tiere bereits in utero sowie postnatal über Muttermilch und Futter hohen Phytoöstrogenspiegeln ausgesetzt war, zeigte wider Erwarten keine antiinflammatorischen Effekte auf die akute Ausprägung der induzierten Kolitis. Stattdessen waren die untersuchten Parameter bei dieser Ernährungsform gegenüber prä- und postnatal normal ernährten Tieren verstärkt. Dagegen bewirkte oral verabreichtes Genistein in der chronischen Phase der TNBS-induzierten Kolitis eine Unterdrückung der Entzündungsparameter im Darm. Die subkutane Verabreichung von Genistein, eines steroidalen ERβ-selektiven Agonisten, oder von E2 führte hingegen zu keiner signifikanten Einflussnahme auf die untersuchten Parameter in der akuten Phase der Inflammation. Zur Charakterisierung der molekularen Grundlagen einer antiinflammatorischen Wirkung von E2, synthetischen ER-selektiven Agonisten und Genistein wurden in vitro Studien mit Kolonkarzinomzelllinien (HT-29 und Caco-2) durchgeführt. Hierzu wurden die Zellen mit Interleukin-1β (IL-1β) stimuliert, was eine Induktion der inflammationsassoziierten Gene Cyclooxygenase-2 und Interleukin-6 auf mRNA Ebene bewirkte. Bis auf Genistein konnten für die getesteten Substanzen keine antiinflammatorischen Effekte auf die mRNA-Expression der induzierten Markergene beobachtet werden. Genistein bewirkte in Caco-2 Zellen eine Hemmung der untersuchten Gene. Weitere Analysen ergaben, dass die beiden Zelllinien ER nur schwach bzw. gar nicht exprimieren. Eine Transfektion von HT-29 Zellen mit ERα führte zu einer deutlichen Hemmung der Expression der Markergene durch E2, während eine Transfektion mit ERβ lediglich einen schwach hemmenden Effekt bewirkte. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass die niedrigen CED-Inzidenzraten in Ostasien wohl nicht allein auf dem dortigen hohen Isoflavonkonsum beruhen, sondern auch anderen Komponenten des Lebensstils zuzuschreiben sind. Dennoch deutet sich an, dass das Genistein, bei oraler Administration, die Regeneration des geschädigten Darmgewebes im chronischen Erkrankungsverlauf unterstützen und damit auch zur Prävention von Kolonkarzinomen beitragen könnte. Bei antiinflammatorischen Effekten von ER-Liganden spielt die Transaktivierung von ER eine entscheidende Rolle. Die Wirkung von Genistein in untransfizierten Caco-2 Zellen legt jedoch auch die Teilnahme weiterer Mechanismen nahe, die noch zu untersuchen sind. Vor diesem Hintergrund erscheinen weiterführende Untersuchungen zum Einsatz von steroidalen ER-Agonisten und Genistein bei CED und den zugrunde liegenden Mechanismen als sinnvoll.

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There is increasing evidence that chronic inflammation is tightly linked to diseases associated with endothelial dysfunction, including the induction of aberrant angiogenesis. While leukocytes have been described as mediators of inflammation-associated angiogenesis, the effects of direct chronic endothelial activation have not been addressed in this context. Using an uncleavable mutant of the transmembrane form of tumor necrosis factor-α (TNF-α), we have established models of stable TNF-α expression in endothelial cells in vitro and in transgenic mice in vivo. In the in vitro model, continuous endothelial activation leads to increased leukocyte cellular adhesion molecule expression and intracellular reactive oxygen species, hallmarks of a proinflammatory and dysfunctional endothelium. In addition, stable expression of TNF-α in endothelial cells increased angiogenic sprout formation in the presence but also in the absence of angiogenic growth factors. The partial neutralization of this effect by TNF-α antibodies and the inability of conditioned media from stable TNF-α-expressing endothelial cells to induce angiogenic activities in control endothelial cells suggest that this effect does not require expression of additional autocrine factors, but is an autonomous effect of the transmembrane TNF on the endothelial cells. Furthermore, using the Matrigel plug assay in vivo, increased angiogenesis was observed in endothelial TNF-α-expressing transgenic versus control mice. In conclusion, chronic inflammatory changes mediated by TNF-α can induce angiogenesis in vitro and in vivo, suggesting endothelial cell activation as a direct link between inflammation and angiogenesis. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Einleitung: Ischämische Schlaganfälle ziehen ausgeprägte Entzündungsprozesse im Gehirn sowie Immunreaktionen in der Körperperipherie nach sich, welche den Erkrankungsverlauf und die Regeneration maßgeblich beeinflussen. Die Modulation dieser Immunantwort stellt folglich einen vielversprechenden experimentellen Ansatz in der Schlaganfalltherapie dar. Der ischämische Schlaganfall ist außerdem mit verschiedenen Komorbiditäten und Risikofaktoren assoziiert, deren Auswirkungen auf die komplexen postischämischen pathophysiologischen Prozesse nur in Teilen aufgeklärt sind. So hat eine arterielle Hypertonie (Bluthochdruck) als wichtigster modifizierbarer Risikofaktor durch die Induktion von Gefäßschäden eine zentrale Bedeutung für die Pathogenese von ischämischen Schlaganfällen und geht außerdem mit einer Aktivierung des Immunsystems einher. Der konkrete Einfluss der Hypertonie auf die postischämische Entzündungsreaktion wurde bislang nicht hinreichend untersucht. Die Einbeziehung wichtiger Begleiterkrankungen, wie Bluthochdruck, in die präklinische Schlaganfallforschung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da ein erweitertes Verständnis der pathophysiologischen Zusammenhänge auch eine bessere Übertragbarkeit neuer immunmodulatorischer Therapiekonzepte auf den Menschen in Aussicht stellt. Zielstellung: Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung pathofunktioneller Zusammenhänge zwischen der Immunantwort nach Schlaganfall und manifestem Bluthochdruck. Dafür wurde die zentrale und periphere Entzündungsreaktion nach experimentellem Schlaganfall in einem prämorbiden hypertensiven Tiermodell (spontan-hypertensive Ratte, SHR) im Vergleich mit normotensiven Tieren mithilfe von vorwiegend durchflusszytometrischen, histologischen und molekularbiologischen Methoden analysiert. Daneben sollte das verwendete hypertensive Tiermodell für die Untersuchung immunologischer Aspekte der translationalen Schlaganfallforschung evaluiert werden. Tiere, Material und Methoden: Für alle Tierversuche und Organentnahmen wurden ausschließlich männliche Ratten der Stämme Wistar-Kyoto und SHR im Alter von 12 bis 14 Wochen verwendet. Die Induktion des ischämischen Infarkts erfolgte mithilfe eines permanenten, transkraniellen Schlaganfallmodells oder mittels photochemischer Thrombose. In Abhängigkeit von der Untersuchungsgruppe wurden die Tiere 1 oder 4 Tage nach Infarktinduktion bzw. Sham-Operation schmerzfrei getötet. Neben wenigen neuroanatomischen und neurofunktionellen Ausleseparametern wurde als Hauptzielgröße die Immunzellverteilung im Gehirn und im Blut erfasst. Dafür wurden Hirnzellisolate und Vollblutproben mit maximal 8 fluoreszenzgekoppelten Antikörpern in verschiedenen Kombinationen markiert und in einem 3-Laser-Durchflusszytometer (FACSCanto II) gemessen und ausgewertet. Zudem wurden in kryokonservierten Hirnschnitten relevante Immunzellpopulationen und Adhäsionsmoleküle mittels Immunfluorezenztechniken markiert und für die Darstellung der räumlichen Verteilung mit einem Konfokal-Mikroskop (LSM710, Zeiss) analysiert. Zusätzlich wurde die Gen-und Proteinexpression selektiver Zytokine und Adhäsionsmoleküle in dissoziiertem Hirngewebe ermittelt. Die statistische Auswertung wurde je nach erfasster Zielgröße mittels zweiseitigem t-Test, Wilcoxon Rangsummentest, Pearson-Korrelation oder Varianzanalyse-Verfahren durchgeführt. Ein Signifikanzniveau von p<0,05 wurde für alle statistischen Verfahren festgelegt. Ergebnisse: Neben einer vergrößerten Läsion konnte in hypertensiven Tieren insbesondere eine gesteigerte Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das ischämische Hirn gezeigt werden. Eine Verschiebung des Makrophagen-Granulozyten-Verhältnisses wies darüber hinaus auf eine veränderte Entzündungskinetik bei Vorliegen von Bluthochdruck hin. Weiterhin wurde in Tieren mit arterieller Hypertonie eine erhöhte Zahl von zirkulierenden Monozyten und Granulozyten beobachtet. Im Hirngewebe von spontan-hypertensiven Ratten nach Schlaganfall wurden außerdem eine verminderte Expression des antiinflammatorisch wirksamen Zytokins Interleukin 10, erhöhte Expressionsraten selektiver Leukozyten-rekrutierender Chemokine sowie eine vermehrte Expression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1 auf infiltrierenden Leukozyten erfasst. Daneben konnten modellabhängige Einflüsse der verschiedenen Induktionsmethoden auf die Immunreaktion identifiziert werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse weisen deutlich auf einen Zusammenhang zwischen einem bestehenden arteriellen Hypertonus und einer gesteigerten entzündlichen Reaktion im Gehirn nach experimentellem Schlaganfall hin und zeigen mögliche zugrundeliegende Mechanismen auf. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit durch eine differenzierte Analyse methodischer und modellabhängiger Einflüsse die Unerlässlichkeit, präklinische Ergebnisse kritisch zu hinterfragen und in unterschiedlichen Modellen zu überprüfen. Auf Grundlage der Untersuchungen kann die spontan-hypertensive Ratte zudem als ein für die translationale Schlaganfallforschung geeignetes prämorbides Tiermodell beurteilt werden, in welchem sich der Einfluss des Risikofaktors Bluthochdruck auf die Entwicklung und den Verlauf der postischämischen Entzündung gut abbilden lässt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung / Introduction: Ischemic strokes lead to a sequence of immune responses, including pronounced tissue inflammation in the brain as well as distinct reactions of the peripheral immune system that consistently influence disease process and outcome. The modulation of these immune responses therefore represents a promising experimental approach in stroke therapy. Ischemic stroke is also associated with various comorbidities and risk factors whose effects on the complex postischemic pathology have only been partially elucidated. Being the most important modifiable risk factor this especially applies to arterial hypertension that has a central role in the pathogenesis of ischemic stroke by inducing vascular damage but is also associated with a strong activation of the immune system. However, the specific influence of hypertension on postischemic inflammation has not been sufficiently investigated. Besides, the integration of hypertension and other important concomitant diseases is becoming a more regular tool in preclinical stroke modelling in order to expand the understanding of pathophysiological interactions and overcome the translational gap of new immunomodulatory therapies. Aim: The main objective of this work is the identification of pathofunctional interations between the immune response after stroke and preexisting arterial hypertension. For this purpose, the central and peripheral inflammatory response after experimental stroke was investigated in a premorbid hypertensive animal model (spontaneously hypertensive rat, SHR) in comparison with normotensive animals by means of flow cytometric, histological and molecular biological methods. In addition, the hypertensive animal model was supposed to be assessed regarding its suitability for the investigation of immunological aspects in translational stroke research. Material and Methods: For all animal experiments and organ removal, only male rats of the Wistar Kyoto and SHR strains aged 12 to 14 weeks were used. Induction of experimental stroke was performed using either a permanent transcranial stroke model or photochemical thrombosis model. Depending on the study group, animals were killed painlessly 1 or 4 days after infarct induction or sham surgery respectively. In addition to few neuroanatomic and neurofunctional readout parameters, immune cell distribution in the brain and blood was captured as primary variable. Therefore, brain cell isolates and whole blood samples labeled with a maximum of 8 fluorescence-coupled antibodies in different combinations were measured and analyzed in a 3-laser flow cytometer (FACSCanto II). Furthermore, immunofluorescence techniques were applied on cryopreserved brain sections in order to image spatial distribution of relevant immune cell populations and adhesion molecules by means of confocal microscopy (LSM710, Zeiss). In addition, the mRNA and protein expression of selective cytokines and adhesion molecules was determined in dissociated brain tissue. Depending on the targeted parameter statistical analyses were performed by using two-sample t-test, Wilcoxon rank-sum test, Pearson correlation coefficient or analysis of variance. A significance level of p<0.05 was set for all statistical methods. Results: In addition to an enlarged lesion, in hypertensive animals an increased infiltration of cells of the innate immune system to the ischemic brain area was detected. A shift of the macrophage-granulocyte-ratio further indicated an altered inflammatory profile in hypertensive rats. Furthermore, an increased number of circulating monocytes and granulocytes were observed in animals with hypertension. In brain tissue of SHR after stroke, a decreased expression of the anti-inflammatory cytokine interleukin 10 were recorded along with increased expression levels of selective leukocyte-recruiting chemokines and an increased expression of the adhesion molecule ICAM-1 on infiltrating leukocytes. In addition, caused by different induction methods, model-dependent impact on the immune reaction could be identified. Conclusion: The results clearly indicate a relationship between existing arterial hypertension and an increased inflammatory response in the brain after experimental stroke and point out potential underlying mechanisms. At the same time, by adopting a differentiated view of methodological and model-dependent influences, the work underscores the need for critical reflection and constant verification of preclinical results in different models. Finally the work validates the SHR strain as a suitable premorbid preclinical system for further translational research since it well models the influence of hypertension on the development and course of postischemic inflammation.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung

Background: Horses are much predisposed and susceptible to excessive and acute inflammatory responses that cause the recruitment and stimulation of polymorphnuclear granulocytes (PMN) together with peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and the release of cytokines. The aim of the study is to develop easy, quick, cheap and reproducible methods for measuring tumor necrosis factor alpha (TNF-α) and interleukin-1 receptor antagonist (IL-1Ra) in the equine whole blood cultures ex-vivo time- and concentration dependently. Results: Horse whole blood diluted to 10, 20 and 50 % was stimulated with lipopolysaccharide (LPS), PCPwL (a combination of phytohemagglutinin E, concanavalin A and pokeweed mitogen) or equine recombinant TNF-α (erTNF-α). TNF-α and IL-1Ra were analyzed in culture supernatants, which were collected at different time points using specific enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). Both cytokines could be detected optimal in stimulated 20 % whole blood cultures. TNF-α and IL-1Ra releases were time-dependent but the kinetic was different between them. PCPwL-induced TNF-α and IL-1Ra release was enhanced continuously over 24–48 h, respectively. Similarly, LPS-stimulated TNF-α was at maximum at time points between 8–12 h and started to decrease thereafter, whereas IL-1Ra peaked later between 12–24 h and rather continued to accumulate over 48 h. The equine recombinant TNF-α could induce also the IL-1Ra release. Conclusions: Our results demonstrate that similar to PCPwL, LPS stimulated TNF-α and IL-1Ra production time-dependently in whole blood cultures, suggesting the suitability of whole blood cultures to assess the release of a variety of cytokines in health and diseases of horse.

Background: The heme enzyme lactoperoxidase is found in body secretions where it significantly contributes to the humoral immune response against pathogens. After activation the peroxidase oxidizes thiocyanate to hypothiocyanite which is known for its microbicidal properties. Yet several pathologies are accompanied by a disturbed hypothiocyanite production which results in a reduced immune defense. Methods: The results were obtained by measuring enzyme-kinetic parameters using UV–vis spectroscopy and a standardized enzyme-kinetic test system as well as by the determination of second order rate constants using stopped-flow spectroscopy. Results: In this study we systematically tested thirty aromatic substrates for their efficiency to promote the lactoperoxidase-mediated hypothiocyanite production by restoring the native ferric enzyme state. Thereby hydrophobic compounds with a 3,4-dihydroxyphenyl partial structure such ashydroxytyrosol and selected flavonoids emerged as highly efficient promotors of the (pseudo-)halogenating lactoperoxidase activity. Conclusions: This study discusses important structure-function relationships of efficient aromatic LPO substrates and may contribute to the development of new agents to promote lactoperoxidase activity in secretory fluids of patients. Significance: This study may contribute to a better understanding of the (patho-)physiological importance of the (pseudo-)halogenating lactoperoxidase activity. The presented results may in future lead to the development of new therapeutic strategies which, by reactivating lactoperoxidase-derived hypothiocyanite production, promote the immunological activity of this enzyme.

Einleitung Zytokine bewirken maßgeblich die Kommunikation und Koordination der zellulären und humoralen Effektorsysteme der angeborenen und erworbenen Immunität. Die Immunzellen stellen selbst die Hauptproduzenten der Zytokine dar. Pro- und anti-inflammatorische Zytokine nehmen nicht nur innerhalb der Zellkommunikation ablaufender Immun- und Entzündungsreaktionen eine Schlüsselrolle ein, sondern sind somit ebenso am Ablauf von Pathogenesen zahlreicher Erkrankungen beim Pferd beteiligt. Trotz verschiedener Studien anhand unterschiedlicher Modelle existiert keine einheitliche Datenlage zu validierten, vergleichbaren in vivo-nahen Zellkultursystemen, die es erlauben die Kinetiken equiner Zytokine als Grundlage zur weiterführenden Erforschung von Zytokinwechselwirkungen sowie zur Testung potentieller Arzneimittel abzubilden. Aktuell werden insbesondere Glukokortikoide weiterhin aufgrund ihrer anti-inflammatorischen und immunmodulatorischen Eigenschaften häufig, aber in Bezug auf Zytokine unspezifisch zur Therapie equiner Erkrankungen eingesetzt. Ziele der Untersuchung Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, eine einfache, schnelle, günstige und reproduzierbare Methodik zur ex vivo-Messung von Zytokinen (Tumornekrosefaktor-alpha [TNF-α], Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist [IL-1Ra] und Interferon gamma [IFN-γ]) und deren zeit- und konzentrationsabhängige Freisetzung in der equinen Vollblutzellkultur zu entwickeln. Anhand dessen sollte weiterführend der Effekt der Glukokortikoide Dexamethason (DEX) und Hydrocortison (HC) auf die Produktion von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ im equinen Vollblut untersucht werden. Zurzeit sind Zytokine, ihre Freisetzung sowie das Eintreten ihrer vermittelten Effekte Gegenstand der gegenwärtigen Forschung, mit dem Ziel spezifische Wechselwirkungen aufzuzeigen und somit zielgerichtete Therapeutika etablieren zu können. Insbesondere Pferde, die eine Anfälligkeit gegenüber mit Sepsis einhergehenden Erkrankungen oder für equines Asthma aufweisen, könnten davon profitieren. Material und Methoden Hierfür wurde Pferdevollblut, in den Verdünnungen zu 10%, 20% und 50% eingesetzt und mit Lipopolysaccharid (LPS), einer Kombination aus Phytohämagglutinin, Concanavalin A, Pokeweed-Mitogen und LPS (PCPwL) oder equinem rekombinantem TNF-a (erTNF-α) zur Zytokinfreisetzung stimuliert. Zur Erstellung der Zytokinkinetiken wurden Zellkulturüberstände zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt und die Konzentrationen von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ mit spezifischen enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) analysiert. In weiterführenden Versuchen wurden in der etablierten equinen Vollblutzellkultur DEX und HC in Konzentrationen von 10-12 - 10-5 M eingesetzt, um die LPS- oder PCPwL- induzierte Zytokinfreisetzung zu modulieren. Statistische Analysen erfolgten über die Berechnungen der Mittelwerte mit den dazugehörigen Standardfehlern. Signifikanzen wurden über ein- und zweifaktorielle ANOVA bestimmt. Ergebnisse Die durchgeführten Untersuchungen ergaben, dass die optimale Detektion der Zytokine in equinen Vollblutzellkulturen mit einem Blutanteil von 20% durchgeführt werden kann. TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ wurden zeitabhängig freigesetzt und zeigten unterschiedliche Freisetzungskinetiken. Die PCPwL- induzierte TNF-α- und IL-1Ra-Freisetzung stiegen jeweils kontinuierlich über 24 - 48 Stunden an. In ähnlicher Weise erreichte die LPS- stimulierte TNF-α-Konzentration ein Maximum zu Zeitpunkten zwischen 8 - 12 Stunden und begann daraufhin abzufallen, wohingegen die Konzentration von IL-1Ra 24 Stunden später gipfelte und vielmehr fortgeführt über 48 Stunden hinaus akkumulierte. Equines rekombinantes TNF-α konnte ebenso die IL-1Ra-Freisetzung induzieren. Die PCPwL-induzierte IFN-γ-Freisetzung begann zeitversetzt und verlief kontinuierlich ansteigend über 48 - 72 Stunden. In weiterführenden konzentrationsabhängigen Untersuchungen konnte anhand der equinen Vollblutzellkultur eine stärkere Suppression der LPS-induzierten TNF-α- und IL-1Ra-Produktion sowie der PCPwL-induzierten IFN-γ-Produktion durch DEX als durch HC nachgewiesen werden. DEX hemmte die Zytokinfreisetzung mit einer mittleren inhibitorischen Konzentration (IC50) von 0,09 μM (TNF-α), 0,453 μM (IL-1Ra) und 0,001 μM (IFN-γ), während HC IC50 Werte von 1,45 μM (TNF-α), 2,96 μM (IL-1Ra) und 0,09 μM (IFN-γ) aufwies. Schlussfolgerungen Schlussfolgernd kann zusammengefasst werden, dass sich das Model der equinen Vollblutzellkultur hervorragend eignet, um nach erfolgreicher Mitogenstimulation den zeitabhängigen Freisetzungsverlauf von Zytokinen evaluieren zu können. Somit bietet das Model der equinen Vollblutzellkultur durch die Vorteile einer einfachen, günstigen Durchführung im in vivo-nahen, physiologischen Milieu, die Möglichkeit den Zytokinstatus gesunder sowie kranker Pferde zu beurteilen und stellt seinen Nutzen und die Verlässlichkeit unter Beweis potentielle Arzneimittel und immunologische Zusammenhänge des Pferdes untersuchen zu können.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74 / Introduction The communication and coordination between the cellular and humoral effector compartments of the innate and adaptive immunity were mainly accomplished by cytokines. Immunocompetent cells themselves represent the main source for cytokines. Pro- and anti-inflammatory cytokines not only play a pivotal role within the cell signaling of expiring immune- and inflammatory reactions but also take part in the pathogenesis of several equine diseases. Despite various studies based on different experimental setups no uniform availability of data about validated, comparable in vivo cell culture systems exists which enables the description of the kinetically time course of cytokines as foundation of further investigations of cytokine interactions as well as the testing of potential drugs. These days especially glucocorticoids are still frequently used for treatment of equine diseases because of their anti-inflammatory and immunomodulatory, but with respect to cytokines unspecific properties. Objectives of the investigations The aim of the study was to develop an easy, quick, cheap and reproducible ex vivo method for measuring cytokines (tumor necrosis factor alpha [TNF-α], interleukin-1 receptor antagonist [IL-1Ra] and interferon gamma [IFN-γ]) and their time- and concentration-dependent release in the equine whole blood cell culture. Whereby the impact of the glucocorticoids dexamethasone (DEX) and hydrocortisone (HC) on production of TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ should be investigated subsequently. Currently, cytokines, their release and eventuation of their mediated effects are objects of actual research with the aim to reveal specific interactions and thus be able to establish purposeful therapeutic agents. This could be beneficial especially for horses which display a susceptibility to septic diseases or equine asthma. Material and Methods Therefore horse whole blood diluted to 10%, 20% and 50% was stimulated with lipopolysaccharide (LPS), a combination of phytohemagglutinin, concanavalin A, pokeweed mitogen and LPS (PCPwL) or equine recombinant TNF-α (erTNF-α). To generate cytokine kinetics TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were analyzed in culture supernatants, which were collected at different time points using specific enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). In further investigations within the equine whole blood cell culture DEX and HC were applied with concentrations between 10-12 and 10-5 M to modulate LPS- or PCPwL-induced cytokine release. Statistics were performed by calculation of means with associated standard errors. Statistical significances were assessed by one- and two-way analysis of variance. Results The evaluations revealed that cytokines could be detected optimal in whole blood cell cultures with 20% blood volume. TNF-α, IL-1Ra and IFN-γ were released time-dependently and differing kinetics were displayed. PCPwL-induced TNF-α and IL-1Ra release was enhanced continuously over 24 - 48 hours, respectively. Similarly, LPS-stimulated TNF-α was at maximum at time points between 8 - 12 hours and started to decrease thereafter, whereas IL-1Ra peaked 24 hours later and rather continued to accumulate beyond 48 hours. ErTNF-α could induce also the IL-1Ra release. PCPwL- induced IFN-γ release started time displaced and showed a continuously enhanced course over 48 - 72 hours. In subsequent investigations within equine whole blood cell culture, LPS-induced TNF-α and IL-1Ra as well as PCPwL-induced IFN-γ production were more potently suppressed concentration-dependently by DEX than by HC. DEX inhibited cytokine release with the inhibition concentration (IC50) 0.09 μM (TNF-α), 0.453 μM (IL-1Ra) and 0.001 μM (IFN-γ), whereas HC with IC50 values of 1.45 μM (TNF-α), 2.96 μM (IL-1Ra) and 0.09 μM (IFN-γ). Conclusion In conclusion our results could suggest the eminent suitability of equine whole blood cell culture to assess the release of a variety of cytokines following successful mitogen stimulation. Therefore the model of the equine whole blood cell culture provides, because of its advantages including simple and cheap performance in an in vivo close physiological ambient, the opportunity to evaluate the cytokine status of healthy and diseased horses. Furthermore it could give the proof of its benefit and reliability to evaluate potential equine drugs and immunological coherences of the horse.:INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS III ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS IV 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 3 2.1 Allgemeine wissenschaftliche Hintergründe 3 2.1.1 Das Blut und das Immunsystem des Pferdes 3 2.1.1.1 Zusammensetzung des equinen Blutes 3 2.1.1.2 Allgemeiner Aufbau des Immunsystems 4 2.1.2 Zytokine und Entzündungsreaktionen - Mediation der Immunantwort durch Zytokine und Chemokine 14 2.1.2.1 Pro-inflammatorische Zytokine: Tumornekrosefaktor-α und Interferon-γ 17 2.1.2.2 Anti-inflammatorische Zytokine: Interleukin-1 Rezeptor-Antagonist 19 2.2 Therapeutische Beeinflussung der Zytokin- und Mediator-Freisetzung 21 2.2.1 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch Glukokortikoide 21 2.2.2 Inhibition der Zytokinfreisetzung durch weitere Pharmaka und Substanzen 23 2.2.2.1 NSAID 23 2.2.2.2 Small molecules und Anti-Zytokinantikörper 24 2.3 Equine Zellkulturmodelle zur Zytokindetektion 25 2.3.1 Stimulation der Zytokinfreisetzung 26 2.3.2 Vollblutzellkultursysteme und Systeme mit isolierten Zellen 27 2.4 Fragestellung der Dissertation 30 3 PUBLIKATIONEN 31 3.1 Freisetzungskinetik von TNF-α und IL-1Ra im equinen Vollblut 32 3.2 Modulation der Freisetzung von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur durch Glukokortikoide 40 4 DISKUSSION 45 4.1 Zytokinfreisetzung im equinen Vollblut 46 4.2 Der Einfluss von Glukokortikoiden auf die Zytokinfreisetzung 52 4.3 Schlussfolgerungen 56 4.4 Ausblick 56 5 ZUSAMMENFASSUNG 58 6 SUMMARY 60 7 LITERATURVERZEICHNIS 62 8 ANHANG 72 8.1 Freisetzungskinetik von IFN-γ 72 8.2 Konzentration von TNF-α, IL-1Ra und IFN-γ in der equinen Vollblutzellkultur 72 9 DANKSAGUNG 74