Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Tübingen, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.

Kiel, Universiẗat, Diss. : 1994.

The gram-negative diplococcus Neisseria meningitidis (Nme) is a frequent human-specific, commensal bacterium of the upper respiratory tract. Under certain conditions especially in infants, meningococci can translocate into the bloodstream and cause invasive meningococcal disease (IMD) manifesting as meningitis or sepsis or a combination of both. IMD is feared for its rapid progression and high fatality rate if it remains untreated. IMD affects up to one million people annually causing substantial morbidity and mortality worldwide. It is well-established that the complement system is an important protective factor in meningococcal disease through opsonization of bacteria with C3b and the lytic activity of the membrane attack complex although the inflammatory C5a/C5aR1 axis can aggravate IMD. The role of neutrophil granulocytes in meningococcal infection is less clear despite their abundant recruitment throughout the course of disease. This study aimed to characterize neutrophil responses to Nme in vitro and the influence of complement on these responses. In infection assays with whole blood and isolated PMNs, effective binding, internalization and killing of Nme by neutrophils was demonstrated. A significant complement-dependence of neutrophil phagocytosis and oxidative burst was observed. The opsonizing and lytic pathway of the complement cascade were found to be most relevant for these responses since blockade of C3 using inhibitor Compstatin Cp20 reduced phagocytosis and oxidative burst significantly more than the blockade of the inflammatory branch with C5aR1-antagonist PMX53. Opsonization with specific antibodies could not replicate the effect of complement activation indicating that engagement of neutrophil complement receptors, particularly complement receptor 3, is involved. Other neutrophil effector functions such as degranulation and IL-8 release were activated in a complement-independent manner implying activation by other inflammatory signals. Considering existing evidence on the overall protective effect of PMNs, further studies investigating the contribution of each neutrophil effector function to infection survival in vivo are required. Ideally, this should be studied in a murine meningitis or sepsis model in the context of complement activation. / Der Gram-negative Diplokokkus Neisseria meningitidis (Nme) ist ein weit verbreitetes, human-spezifisches, kommensales Bakterium des oberen Respirationstraktes. Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei Kleinkindern, können Meningokokken in die Blutbahn translozieren und eine invasive Meningokokkenerkrankung (IMD) auslösen, die sich als Meningitis, Sepsis oder eine Kombination beider Krankheitsbilder manifestiert. IMD werden aufgrund ihrer raschen Progression und ohne Behandlung hohen Letalität gefürchtet. IMD betreffen jährlich bis zu einer Million Menschen weltweit mit substanzieller Morbidität und Mortalität. Es ist bekannt, dass das Komplement-system bei IMD als protektiver Faktor durch die Opsonisierung von Nme mit C3b und Lyse mittels Membranangriffskomplex wirkt, obwohl die inflammatorische C5a/C5aR1-Achse die Erkrankung aggravieren kann. Die Rolle neutrophiler Granulozyten (PMNs) bei IMD bleibt hingegen kontrovers, obwohl eine starke Rekrutierung dieser Zellen stattfindet. Diese Studie charakterisiert die Reaktionen neutrophiler Granulozyten auf Nme in vitro und deren Modulation durch Komplement. In Infektionsassays mit Vollblut und isolierten PMNs konnte die Bindung, Internalisierung und Elimination von Nme durch PMNs demonstriert werden. Oxidativer burst und Phagozytose zeigten dabei eine ausgeprägte Abhängigkeit von Komplement. Die opsonisierende und lytische Wirkung von Komplement erwiesen sich dabei als relevant für diese Funktionen, da die Blockade von C3 durch den Inhibitor Compstatin Cp20 Phagozytose und oxidativen Burst signifikant stärker reduzierte als die Blockade der Inflammation durch C5a mittels C5aR1-Antagonist PMX53. Die Opsonisierung mit spezifischen Antikörpern konnte den Effekt der Komplementaktivierung nicht replizieren, was auf eine Signalvermittlung durch Komplementrezeptoren insbesondere CR3 hindeutet. Andere Effektorfunktionen wie Degranulation und IL-8 Freisetzung waren komplementunabhängig, was auf deren Initiierung durch andere inflammatorische Signale hindeutet. In Anbetracht bestehender Evidenz für einen insgesamt protektiven Effekt von PMN sind weitere Studien nötig, die den Effekt der einzelnen Effektorfunktionen auf das Outcome in vivo untersuchen. Besonders geeignet wäre dafür ein murines Sepsis oder Meningitis-Modell.

The cytokine interleukin-5 (IL-5) is part of the TH2-mediated immune response. As a key regulator of eosinophilic granulocytes (eosinophils), IL-5 controls multiple aspects of eosinophil life. Eosinophils play a pathogenic role in the onset and progression of atopic diseases as well as hypereosinophilic syndrome (HES). Here, cytotoxic proteins and pro-inflammatory mediators stored in intracellular vesicles termed granula are released upon activation thereby causing local inflammation to fight the pathogen. However, if such inflammation persists, tissue damage and organ failure can occur. Due to the close relationship between eosinophils and IL-5 this cytokine has become a major pharmaceutical target for the treatment of atopic diseases or HES. As observed with other cytokines, IL-5 signals by assembling a heterodimeric receptor complex at the cell surface in a stepwise mechanism. In the first step IL-5 binds to its receptor IL-5Rα (CD125). This membrane-located complex then recruits the so-called common beta chain βc (CD131) into a ternary ligand receptor complex, which leads to activation of intracellular signaling cascades. Based on this mechanism various strategies targeting either IL-5 or IL-5Rα have been developed allowing to specifically abrogate IL-5 signaling. In addition to the classical approach of employing neutralizing antibodies against IL 5/IL-5Rα or antagonistic IL-5 variants, two groups comprising small 18 to 30mer peptides have been discovered, that bind to and block IL-5Rα from binding its activating ligand IL-5. Structure-function studies have provided detailed insights into the architecture and interaction of IL-5IL-5Rα and βc. However, structural information for the ternary IL-5 complex as well as IL-5 inhibiting peptides is still lacking. In this thesis three areas were investigated. Firstly, to obtain insights into the second receptor activation step, i.e. formation of the ternary ligand-receptor complex IL-5•IL-5Rα•βc, a high-yield production for the extracellular domain of βc was established to facilitate structure determination of the ternary ligand receptor assembly by either X-ray crystallography or cryo-electron microscopy. In a second project structure analysis of the ectodomain of IL-5Rα in its unbound conformation was attempted. Data on IL-5Rα in its ligand-free state would provide important information as to whether the wrench-like shaped ectodomain of IL-5Rα adopts a fixed preformed conformation or whether it is flexible to adapt to its ligand binding partner upon interaction. While crystallization of free IL-5Rα failed, as the crystals obtained did not diffract X rays to high resolution, functional analysis strongly points towards a selection fit binding mechanism for IL-5Rα instead of a rigid and fixed IL-5Rα structure. Hence IL-5 possibly binds to a partially open architecture, which then closes to the known wrench-like architecture. The latter is then stabilized by interactions within the D1-D2 interface resulting in the tight binding of IL-5. In a third project X-ray structure analysis of a complex of the IL-5 inhibitory peptide AF17121 bound to the ectodomain of IL-5Rα was performed. This novel structure shows how the small cyclic 18mer peptide tightly binds into the wrench-like cleft formed by domains D1 and D2 of IL-5Rα. Due to the partial overlap of its binding site at IL-5Rα with the epitope for IL-5 binding, the peptide blocks IL-5 from access to key residues for binding explaining how the small peptide can effectively compete with the rather large ligand IL-5. While AF17121 and IL-5 seemingly bind to the same site at IL-5Rα, functional studies however showed that recognition and binding of both ligands differ. With the structure for the peptide-receptor complex at hand, peptide design and engineering could be performed to generate AF17121 analogies with enhanced receptor affinity. Several promising positions in the peptide AF17121 could be identified, which could improve inhibition capacity and might serve as a starting point for AF17121-based peptidomimetics that can yield either superior peptide based IL-5 antagonists or small-molecule-based pharmacophores for future therapies of atopic diseases or the hypereosinophilic syndrome. / Das Zytokin Interleukin-5 (IL-5) nimmt eine zentrale Rolle im Zellzyklus von eosinophlien Granulozyten (Eosinophile) ein, indem es beispielsweise die Differenzierung, Aktivierung und Apoptose dieser Zellen steuert. Als Immunantwort auf Pathogene kommt es zur Aktivierung von Eosinophilen. Dieses führt zur Freisetzung von in intrazellulären Vesikeln (Granula) gespeicherten zytotoxischen Proteinen und proinflammatorischen Mediatoren, wodurch lokale Entzündungen verursacht werden, um den Erreger zu bekämpfen. Fehlregulationen (übermäßige Produktion) von eosinophilen Granulozyten können zu Gewebeschäden und Organversagen führen, wenn diese über einen längeren Zeitraum bestehen, und sind insbesondere mit dem Ausbruch und Fortschreiten von atopischen Erkrankungen sowie dem Hypereosinophilen Syndrom (HES) assoziiert. IL-5 muss, um die Eosinophilen aktivieren zu können, an einen heterodimeren Transmembranrezeptor binden. Im ersten Schritt bindet IL-5 an seinen zytokin-spezifischen Rezeptor IL-5Rα (CD125). Dieser membrangebundene Komplex rekrutiert dann die sogenannte gemeinsame („common“) beta-Kette βc (CD131) in einen ternären Liganden Rezeptorkomplex, was zur Aktivierung von intrazellulären Signalkaskaden führt. Aufgrund dieser engen Beziehung zwischen Eosinophilen und IL-5 ist dieses Zytokin in den Fokus der pharmazeutischen Industrie für die Behandlung atopischer Erkrankungen oder HES gerückt. Bisherige Therapien basieren auf der Unterdrückung der Immunreaktion durch Corticosteroide, neutralisierende gegen IL 5/IL-5Rα gerichtete Antikörper oder antagonistische IL-5 Varianten. Eine alternative Therapiemöglichkeit stellen IL-5 inhibierende Peptide dar, welche an IL 5Rα binden und hierbei die Bindung des aktivierenden Liganden (IL-5) hemmen. Derzeit stehen Strukturen vom binären IL-5IL-5Rα Komplex und von βc im ungebundenen Zustand zur Verfügung. Zudem konnten wichtige Wechselwirkungen im binären Komplex identifiziert werden. Allerdings sind vom ternären IL-5 Komplex und den IL-5 inhibierenden Peptiden keinerlei Strukturdaten bekannt. Um im Rahmen dieser Arbeit Einblicke in den zweiten Rezeptoraktivierungsschritt, d.h. die Bildung des ternären Ligand-Rezeptor Komplexes IL-5•IL-5Rα•βc, zu erhalten, wurde ein Herstellungsverfahren für die extrazelluläre Domäne von βc etabliert. Zusammen mit den optimierten Reinigungsverfahren für IL-5 und IL 5Rα konnte hiermit eine gute Grundlage für zukünftige Strukturanalysen des ternären IL-5 Komplexes geschaffen werden. In einem zweiten Projekt wurde versucht, die Struktur der Ektodomäne von IL 5Rα in ihrem freien Zustand aufzuklären. Diese Strukturdaten würden wichtige Informationen darüber liefern, ob die bisher bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur der IL-5Rα Ektodomäne in einer rigiden, vorgebildeten Konformation vorliegt, oder ob die Architektur der Ektodomäne bei Bindung flexibel an ihren Liganden angepasst wird. Während die Kristallisation von IL-5Rα ohne einen Bindepartner fehlschlug, deuten neue Funktionsanalysen auf einen „selection fit binding mechanism“ für IL-5Rα hin. Der relativ große Ligand IL-5 bindet daher sehr wahrscheinlich an eine teilweise „offene“ Rezeptorkonformation, die erst nach Bindung die bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur annimmt. In einem dritten Projekt wurde eine Strukturanalyse des Komplexes des IL-5 inhibierenden AF17121 Peptids gebunden an die Ektodomäne von IL-5Rα durchgeführt. Anhand dieser neuen Struktur lässt sich erklären, wie das kleine zyklische 18mer Peptid effektiv mit dem wesentlich größeren Liganden IL-5 um die Bindung am Rezeptor konkurrieren kann. Aufgrund der Überlappung der Bindestellen von AF17121 und IL-5 am Rezeptor IL 5Rα blockiert das Peptid den Zugang von IL-5 an seinen Rezeptor. Obwohl AF17121 und IL-5 in einem ähnlich Strukturbereich in IL-5Rα binden, zeigen funktionelle Studien, dass sich Erkennung und Bindung beider Liganden unterscheiden. Mit der vorliegenden Struktur vom Peptid Rezeptor Komplex konnte ein strukturbasiertes Peptid-Design durchgeführt und so AF17121 Varianten mit verbesserter Rezeptorbindung erzeugt werden. Dabei wurden mehrere Positionen im Peptid AF17121 identifiziert, die dessen Inhibierungseigenschaften möglicherweise verbessern. Somit konnte ein weiterer Grundstein für die Entwicklung von effektiveren Peptid-basierten IL 5 Antagonisten oder sogar nicht-peptidischen Inhibitoren für zukünftige Therapieansätze gegen atopische Erkrankungen oder HES gelegt werden.

After myocardial infarction, an inflammatory response is induced characterized by a sterile inflammation, followed by a reparative phase in order to induce cardiac healing. Neutrophils are the first immune cells that enter the ischemic tissue. Neutrophils have various functions in the ischemic heart, such as phagocytosis, production of reactive oxygen species or release of granule components. These functions can not only directly damage cardiac tissue, but are also necessary for initiating reparative effects in post-ischemic healing, indicating a dual role of neutrophils in cardiac healing after infarction. In recent years, evidence has been growing that neutrophils show phenotypic and functional differences in distinct homeostatic and pathogenic settings. Preliminary data of my working group using single-cell RNA-sequencing revealed the time- dependent heterogeneity of neutrophils, with different populations showing distinct gene expression profiles in ischemic hearts of mice, including the time-dependent appearance of a SiglecFhigh neutrophil population. To better understand the dynamics of neutrophil heterogeneity in the ischemic heart, my work aimed to validate previous findings at the protein level, as well as to investigate whether the distinct neutrophil populations show functional differences. Furthermore, in vivo depletion experiments were performed in order to modulate circulating neutrophil levels. Hearts, blood, bone marrow and spleens were processed and analyzed from mice after 1 day and 3 days after the onset of cardiac ischemia and analyzed using flow cytometry. Results showed that the majority of cardiac neutrophils isolated at day 3 after myocardial infarction were SiglecFhigh, whereas nearly no SiglecFhigh neutrophils could be isolated from ischemic hearts at day 1 after myocardial infarction. No SiglecFhigh neutrophils could be found in the blood, spleen and bone marrow either after 1 day or 3 days after myocardial infarction, indicating that the SiglecFhigh state of neutrophils is unique to the ischemic cardiac tissue. When I compared SiglecFhigh and SiglecFlow neutrophils regarding their phagocytosis activity and ROS production, SiglecFhigh neutrophils showed a higher phagocytosis ability than their SiglecFlow counterparts, as well as higher ROS production capacity. In vivo depletion experiments could not achieve successful and efficient depletion of cardiac neutrophils either 1 day or 3 days after myocardial infarction, but led to a shift of a higher percentage of SiglecFhigh expressing neutrophils in the depletion group. Bone marrow neutrophil levels only showed partial depletion at day 3 after MI. Regarding blood neutrophils, depletion efficiently reduced circulating neutrophils at both time points, 1 and 3 days after MI. To summarize, this work showed the time-dependent presence of different neutrophil states in the ischemic heart. The main population of neutrophils isolated 3 days after MI showed a high expression of SiglecF, a unique state that could not be detected at different time points or other organs. These SiglecFhigh neutrophils showed functional differences regarding their phagocytosis ability and ROS production. Further investigation is needed to reveal what role these SiglecFhigh neutrophils could play within the ischemic heart. To better target neutrophil depletion in vivo, more efficient or different anti-neutrophil strategies are needed. / Nach Myokardinfarkt kommt es zu einer Entzündungsantwort, die durch eine sterile Entzündung und nachfolgende reparative Phase gekennzeichnet ist, um eine kardiale Heilung zu initiieren. Neutrophile Granulozyten sind die ersten Immunzellen, die das ischämische Gewebe infiltrieren. Neutrophile Granulozyten haben verschiedene Funktionen im ischämischen Herz, wie beispielsweise Phagozytose, Produktion reaktiver Oxigenspezies oder Entleerung von Granulae. Diese Funktionen können nicht nur das kardiale Gewebe direkt schädigen, sondern sind auch notwendig, um die reparative Phase zu initiieren, was auf eine duale Rolle der neutrophilen Granulozyten hinsichtlich kardialer Heilung hinweist. Evidenz der letzten Jahre zeigt, dass neutrophile Granulzyten phänotypische und funktionelle Unterschiede zeigen, sowohl in Homöostase als auch in verschiedenen pathologischen Umgebungen. Vorangehende Ergebnisse meiner Arbeitsgruppe von Einzelzellsequenzierungen zeigten die zeitabhängige Heterogenität neutrophiler Granulozyten, die in verschiedenen Populationen und mit unterschiedlichen Expressions-Mustern in ischämischen Mäuseherzen auftauchten. Unter anderem zeigte sich das zeitabhängige Auftauchen einer SiglecFhigh NeutrophilenPopulation. Um die Dynamik der Neutrophilen-Heterogenität im ischämischen Herz besser zu verstehen, war es das Ziel meiner Arbeit, vorangehende Ergebnisse auf Proteinbasis zu bestätigen, und die verschiedenen Neutrophilen-Populationen hinsichtlich möglicher funktioneller Unterschiede zu untersuchen. Zusätzlich wurden in-vivo Depletionsversuche durchgeführt, um das Vorkommen zirkulierender neutrophiler Granulozyten zu modulieren und mögliche Änderungen hinsichtlich des Vorkommens neutrophiler Granulozyten im Herzen zu untersuchen. Herz, Blut, Knochenmark und Milz von Mäusen, die einen 1 oder 3 Tage alten Myokardinfarkt hatten, wurden prozessiert und mittels Durchflusszytometrie analysiert. Es zeigte sich, dass der überwiegende Anteil kardialer neutrophiler Granulozyten die an Tag 3 nach Myokardinfarkt isoliert wurden SiglecFhigh waren, wohingegen quasi keine SiglecFhigh neutrophile Granulozyten an Tag 1 nach Myokardinfarkt gefunden werden konnten. Es konnten keine SiglecFhigh neutrophile Granulozyten in Blut, Knochenmark oder Milz gefunden werden, weder 1 noch 3 Tage nach Myokardinfarkt, was darauf hinweist, dass der SiglecFhigh Status neutrophiler Granulozyten spezifisch für ischämisches Herzgewebe ist. Im Vergleich von SiglecFhigh und SiglecFlow neutrophilen Granulozyten hinsichtlich der Phagozytose und Produktion reaktiver Oxigenspezies, zeigten SiglecFhigh neutrophile Granulozyten sowohl eine höhere Phagozytose als auch eine höhere Produktion reaktiver Oxigenspezies. In vivo Depletionsversuche konnten keine komplette und effiziente Depletion kardialer neutrophiler Granulozyten sowohl an Tag 1 als auch an Tag 3 nach Myokardinfarkt erzielen, führten jedoch zu einem höheren Prozentsatz an SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten in der Depletionsgruppe. Neutrophile Granulozyten im Knochenmark konnten nur an Tag 3 teilweise depletiert werden. Mit Blick auf neutrophile Granulozyten im Blut führte die Depletion zu einer effizienten Reduktion zirkulierender neutrophiler Granulozyten sowohl an Tag 1 als auch an Tag 3 nach Myokardinfarkt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die zeitabhängige Präsenz verschiedener neutrophiler Granulozyten im ischämischen Herzen. Der größte Anteil neutrophiler Granulozyten, die an Tag 3 isoliert wurden, zeigten eine hohe Expression von SiglecF, einem spezifischen und einzigartigem Phänotypus, der weder zu anderen Zeitpunkten noch in anderen Organen gefunden wurde. Diese SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten zeigten funktionelle Unterschiede hinsichtlich ihrer Phagozytose und Produktion reaktiver Oxigenspezies. Weitere Untersuchungen sind notwendig um aufzuzeigen, welche Rolle diese SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten im ischämischen Herzen spielen könnten.Um eine effizientere Depletion neutrophiler Granulozyten in vivo zu erzielen, sind andere oder effizientere Anti-Neutrophilen Strategien notwendig.