Regensburg, Univ., Diss., 2009.

University, Diss., 2005--Würzburg.

Düsseldorf, Universiẗat, Diss., 2001.

Universiẗat, Diss., 2001--Mainz.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

Current therapeutic strategies efficiently improve survival in patients after myocardial infarction (MI). Nevertheless, long-term consequences such as heart failure development, are still one of the leading causes of death worldwide. Inflammation is critically involved in the cardiac healing process after MI and has a dual role, contributing to both tissue healing and tissue damage. In the last decade, a lot of attention was given to targeting inflammation as a potential therapeutic approach in MI, but the poor understanding of inflammatory cell heterogeneity and function is a limit to the development of immune modulatory strategies. The recent development of tools to profile immune cells with high resolution has provided a unique opportunity to better understand immune cell heterogeneity and dynamics in the ischemic heart. In this thesis, we employed single-cell RNA-sequencing combined with detection of epitopes by sequencing (CITE-seq) to refine our understanding of neutrophils and monocytes/macrophages heterogeneity and dynamic after experimental myocardial infarction. Neutrophils rapidly invade the infarcted heart shortly after ischemic damage and have previously been proposed to display time-dependent functional heterogeneity. At the single-cell level, we observed dynamic transcriptional heterogeneity in neutrophil populations during the acute post-MI phase and defined previously unknown cardiac neutrophil states. In particular, we identified a locally acquired SiglecFhi neutrophil state that displayed higher ROS production and phagocytic ability compared to newly recruited neutrophils, suggesting the acquisition of specific function in the infarcted heart. These findings highlight the importance of the tissue microenvironment in shaping neutrophil response. From the macrophage perspective, we characterized MI-associated monocyte-derived macrophage subsets, two with a pro-inflammatory gene signature (MHCIIhiIl1βhi) and three Trem2hi macrophage populations with a lipid associated macrophage (LAM) signature, also expressing pro-fibrotic and tissue repair genes. Combined analysis of blood monocytes and cardiac monocyte/macrophages indicated that the Trem2hi LAM signature is acquired in the infarcted heart. We furthermore characterized the role of TREM2, a surface protein expressed mainly in macrophages and involved in macrophage survival and function, in the post-MI macrophage response and cardiac repair. Using TREM2 deficient mice, we demonstrate that acquisition of the LAM signature in cardiac macrophages after MI is partially dependent on TREM2. While their cardiac function was not affected, TREM2 deficient mice showed reduced collagen deposition in the heart after MI. Thus, our data in Trem2-deficient mice highlight the role of TREM2 in promoting a macrophage pro-fibrotic phenotype, in line with the pro-fibrotic/tissue repair gene signature of the Trem2hi LAM-signature genes. Overall, our data provide a high-resolution characterization of neutrophils and macrophage heterogeneity and dynamics in the ischemic heart and can be used as a valuable resource to investigate how these cells modulate the healing processes after MI. Furthermore, our work identified TREM2 as a regulator of macrophage phenotype in the infarcted heart / Die derzeitigen therapeutischen Ansätze verbessern die Überlebenschancen von Patienten nach einem Myokardinfarkt wirksam, dennoch sind Langzeitfolgen wie die Entwicklung einer Herzinsuffizienz immer noch eine der häufigsten Todesursachen weltweit. An den Heilungsprozessen nach einem Herzinfarkt sind Entzündungreaktionen beteiligt, die sowohl zur Gewebeheilung als auch zur Gewebeschädigung beitragen. In den letzten zehn Jahren wurde besondere Aufmerksamkeit auf die gezielte Beeinflussung von Entzündungen als potenzieller therapeutischer Ansatz gewidmet, allerdings stellt die Komplexität der Entzündungszellen bezüglich Heterogenität und Funktion eine Herausforderung für die Entwicklung von Strategien zur Immunmodulation dar. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Methoden, mit denen Immunzellen mit hoher Auflösung charakterisiert werden können, für ein besseres Verständnis der Heterogenität und Dynamik von Immunzellen im ischämischen Herzen unerlässlich. In dieser Arbeit haben wir scRNA-seq eingesetzt, um die Heterogenität und Dynamik von Neutrophilen und Monozyten/Makrophagen nach einem experimentell-induzierten Myokardinfarkt zu bestimmen. Neutrophile dringen unmittelbar nach der ischämischen Schädigung in das infarzierte Herz ein wo ihre Zahl innerhalb der ersten Tage abnimmt. Zudem konnten wir eine transkriptionelle Heterogenität in neutrophilen Populationen während der akuten Entzündungsphase beobachten. Insbesondere konnten wir ab dem 3. Tag nach Infarkt einen SiglecFhi-Neutrophilenstatus identifizieren, der sich unseren Daten zufolge im betroffenen Gewebe entwickelt hat. SiglecFhi-Neutrophile zeigten im Vergleich zu neu rekrutierten Neutrophilen eine höhere ROS-Produktion und phagozytische Fähigkeit, was auf den Erwerb einer spezifischen Funktion im infarzierten Herzen hindeutet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit der unmittelbaren Umgebung des Gewebes für die Reaktion der Neutrophilen. Weiterhin zeigten unsere scRNA-seq-Daten eine erhebliche Heterogenität in der Monozyten-/Makrophagenpopulation. Durch die Kombination der scRNA-seq-Analyse von kardialen und zirkulierenden Leukozyten, konnten wir eine durch ischämische Verletzungen induzierte Monozytenpopulation mit einer "neutrophilenähnlichen" Gensignatur identifizieren. Aus der Makrophagenperspektive beobachteten wir verschiedene MI-assoziierte Makrophagenuntergruppen, zwei mit einer pro-inflammatorischen Gensignatur (MHCIIhiIl1βhi) und drei Trem2hi-Makrophagenpopulationen mit einer Lipid-assoziierten Makrophagensignatur (LAM), welche auch pro-fibrotische/Gewebereparaturgene exprimieren. Darüber hinaus entdeckten wir eine kleine Population von Fn1hiLtc4shi-Makrophagen mit unbekannter Funktion, die mit einigen cRTMs-Markern angereichert sind. CCR2-Depletion und Fate-Mapping-Studien zeigten einen eindeutigen monozytären Ursprung der MI-assoziierten Makrophagen-Untergruppen. TREM2 ist ein Oberflächenprotein, das hauptsächlich in Makrophagen exprimiert wird und an der Makrophagenfunktion beteiligt ist. Die Funktion von TREM2 in Makrophagen wird in verschiedenen Krankheitskontexten (z. B. Alzheimer-Krankheit, Fettleibigkeit, Atherosklerose usw.) eingehend untersucht, und ist für den Erwerb der LAM-Signatur wesentlich. In unserem Herzinfarkt-Mausmodell beobachteten wir die Expression von Genen der LAM-Signatur im infarzierten Herzen und dass TREM2 für diese Hochregulation der LAM-Gene in vivo erforderlich ist. Unsere vorläufigen Daten in Trem2-defizienten Mäusen unterstreichen die Rolle von TREM2 zur Förderung eines pro-fibrotischen Makrophagen-Phänotyps und dementsprechend für die pro-fibrotischen/Gewebereparatur-Gensignatur der Trem2-LAM-Signaturgene. Insgesamt liefern unsere Daten eine hochauflösende Charakterisierung der Heterogenität und Dynamik von Neutrophilen und Makrophagen im ischämischen Herzen und können als wertvolle Grundlage für die Untersuchung der Frage dienen, wie diese Zellen die Heilungsprozesse nach einem Herzinfarkt modulieren.

Die akute Graft-versus-Host Disease (GvHD) und speziell ihre intestinale Manifestation ist eine schwere Komplikation der allogenen Stammzelltransplantation mit erheblichem Einfluss auf Mortalität und Morbidität der Patienten. Pathophysiologisch stellt sie eine Immunreaktion von Spender-T-Zellen auf Empfängergewebestrukturen dar. In Versuchsmäusen ist die experimentelle Depletion CD11c+ Antigen-präsentierender Empfängerzellen in der frühen GvHD-Effektorphase assoziiert mit einem schlechteren klinischen Outcome, einer höheren Dichte alloreaktiver T-Zellen und einer verstärkten Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Ziel der Studie war eine umfassende Charakterisierung und systematische Einordnung der folglich GvHD-protektiven intestinalen CD11c+ Empfängerzellen. Bezüglich ihrer Oberflächenproteinsignatur analysierten wir die myeloiden Zellen der intestinalen Mukosa am Tag 6 nach allogener Stammzelltransplantation. Mittels durchflusszytometrischer Analyse und Vergleich zwischen gesunden, allein bestrahlten und GvHD-Mäusen ordneten wir die CD11c+ Empfängerzellen als Makrophagen ein und schlossen eine Identität als dendritische Zellen aus. In der Immunfluoreszenzmikroskopie wiesen wir ihre Kolokalisation mit allogenen T-Zellen nach und bestätigten darin eine PD-L1 Expression als möglichen T-Zell-Suppressionsmechanismus. Bezüglich ihres Transkriptoms führten wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung intestinaler hämatopoetischer Empfängerzellen aus CD11c+ Zell-depletierten und nicht depletierten Mäusen durch. Auf rein bioinformatischer Grundlage wurden die Einzelzellen kombiniert und anhand ihrer Transkriptomprofile in Cluster eingeteilt. Der Vergleich beider Versuchsgruppen offenbarte zwei unterschiedliche präsente bzw. depletierte und damit GvHD-protektive Zellcluster: Cluster 4 enthielt Zellen mit deutlicher Makrophagensignatur und gewebeprotektivem, antipathogenem Effektorprofil, welches in Kombination mit weiteren Genen ein Kontinuum der in Homöostase vorhandenen Makrophagen nahelegte. Cluster 10 dagegen enthielt Zellen mit immun- und spezifisch T-Zell-suppressivem Effektorprofil, weniger deutlicher Makrophagensignatur und Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Somit lieferte die Studie wichtige Hinweise auf einen Mechanismus der GvHD- bzw. T-Zell-Suppression und Gewebeprotektion in Form von physiologisch vorhandenen bzw. im Laufe der GvHD auftretenden Empfängermakrophagen. / Acute Graft-versus-host disease (GvHD) is an immunoreaction of donor T cells against host tissue structures after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT). Especially intestinal GvHD greatly contributes to the patients´ morbidity and mortality. Experimental depletion of CD11c+ antigen-presenting host cells in the early effector phase of GvHD is associated with a worse clinical outcome, an increase of alloreactive T cell numbers and more severe inflammation in the small intestinal mucosa in mice. In this study we aimed to characterize and systematically classify intestinal CD11c+ host cell populations protecting from acute GvHD on proteome and transcriptome level. To address the protein expression signature we analyzed the surface antigens of intestinal CD11c+ antigen-presenting cells of host mice on day 6 after allo-HCT. By flow cytometric analysis and comparison of healthy, GvHD-, and mice only receiving myeloablative irradiation, we classified the GvHD-protective cells as macrophages and ruled out a dendritic cell identity. Utilizing immunofluorescence microscopy we localized intestinal host macrophages in close contact with allogeneic T cells and confirmed their expression of PD-L1 as possible mechanism of alloreactive T cell suppression. Concerning the transcriptome signature, we performed a single-cell RNA sequencing of host intestinal hematopoietic cells of GvHD-mice with and without CD11c+ cell depletion. Single cells were combined and clustered by transcriptional profiling based on bioinformatic calculation. In comparison of both groups we detected two different present, respectively depleted and hence GvHD-protective cell populations: Cluster 4 containing tissue-protective and antipathogenic cells with a distinct macrophage signature, suggesting a continuum of steady state’s macrophages. And Cluster 10 containing cells with highly immunomodulatory and T cell suppressive capacities, less distinct macrophage signature, and some similar features to myeloid-derived suppressor cells. This study details the characteristics of host intestinal macrophages that can regulate alloreactive T cells in the small intestinal mucosa, suppress lethal acute GvHD and protect the tissue from inflammatory destruction.

Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is a cohort of human hereditary disorders of the peripheral nervous system (PNS) which exhibit symptoms like sensory dysfunction, muscle weakness and gait disturbances. Different mutations are described as causation for this neuropathy, such as a duplication of chromosome 17 comprising the gene for the peripheral myelin protein-22 (PMP22). Based on different animal models former studies identified immune cells, i.e. macrophages and T-lymphocytes, as crucial mediators of pathology in these neuropathies. In this study, PMP22-overexpressing mice (PMP22tg, C61), serving as a model for a specific type of CMT – CMT1A – were crossbred with immune-deficient mutant mice to examine the impact of the immune system on nerve pathology. Crossbreeding of PMP22tg mice with recombination activating gene-1 (RAG-1) deficient mice, lacking mature T- and B-lymphocytes, caused no striking alterations of pathogenesis in peripheral nerves of mutant mice. In contrast, crossbreeding of PMP22tg myelin mutants with mice deficient in the chemokine monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1, CCL2) caused an amelioration of the demyelinating phenotype of peripheral nerves when MCP-1 was either reduced or completely absent. Furthermore, functional investigations, i.e. neurographic recordings and examinations of the grip strength of the extremities, revealed an amelioration in PMP22tg/MCP-1-/- mice in regard to a symptomatic improvement in the compound action muscle potential (CMAP) and stronger grip strength of the hindlimbs. Interestingly, peripheral nerves of PMP22tg mice showed an irregular distribution of potassium channels in presence of MCP-1, whereas the absence of MCP-1 in the myelin mutants rescued the ion channel distribution and resulted in a more wild type-like phenotype. Having shown the impact of MCP-1 as an important mediator of nerve pathology in PMP22/MCP-1 double mutants, the regulation of this chemokine became an important target for potential treatment strategies. We found that the signaling cascade MEK1/2/ERK1/2 was more strongly activated in peripheral nerves of PMP22tg mice compared to nerves of wild type mice. This activation corresponded to an increase in MCP-1 mRNA expression in peripheral nerves at the same age. Furthermore, a MEK1/2-inhibitor was used in vivo to confirm the regulation of MCP-1 by the MEK1/2/ERK1/2 pathway. After a treatment period of three weeks, a clear reduction of ERK1/2-phosphorylation as well as a reduction of MCP-1 mRNA expression was observed, accompanied by a decline in macrophage number in peripheral nerves of PMP22tg mice. These observations suggest that the expression of MCP-1 is crucial for the neuropathological progression in a mouse model for CMT1A. Therefore, this chemokine could provide a basis for a putative treatment strategy of inherited neuropathies. / Die Charcot-Marie-Tooth Erkrankungen (CMT) sind eine Gruppe von humanen, erblichen Erkrankungen des peripheren Nervensystems (PNS), welche Symptome wie sensible Störungen, Muskelschwäche und Gangstörungen verursachen können. Verschiedene Mutationen, z.B. eine Duplikation des Chromosoms 17, welches das Gen für das periphere Myelinprotein-22 (PMP22) enthält, sind als Ursache für diese Neuropathie beschrieben. Anhand verschiedener Tiermodelle wurde in früheren Studien gezeigt, dass Immunzellen, insbesondere Makrophagen und T-Lymphozyten, maßgeblich an der Pathogenese dieser Neuropathien beteiligt sind. In der vorliegenden Studie wurden PMP22-überexprimierende Mäuse (PMP22tg, C61) als Modell einer spezifischen CMT-Form – CMT1A – mit immun-defizienten Mutanten verkreuzt, um die modulierende Rolle des Immunsystems innerhalb der Pathogenese peripherer Nerven untersuchen zu können. Die Verkreuzung von PMP22tg Mäusen mit „recombination activating gene-1“-defizienten Mutanten (RAG-1-/-), die keine reifen T- und B-Lymphozyten besitzen, resultierte in keiner deutlich veränderten Pathologie der peripheren Nerven. Im Gegensatz hierzu führte die Verkreuzung der Myelinmutanten mit Mäusen, defizient für das Chemokin „monocyte chemoattractant protein-1“ (MCP-1), zu einer Abschwächung des demyelinisierenden Phänotyps in peripheren Nerven, wenn MCP-1 reduziert war oder völlig fehlte. Funktionelle Analysen, wie elektrophysiologische Messungen und Untersuchungen der Kraft in den Extremitäten, zeigten zudem in PMP22tg/MCP-1-/- Mäusen eine symptomatische Verbesserung, was sich in einer höheren Amplitude (compound muscle action potential, CMAP) und einer erhöhten Kraft in den Hinterpfoten der Mäuse widerspiegelte. Interessanterweise zeigten periphere Nerven der PMP22tg Mäuse eine abnorme Verteilung von Kalium-Kanälen, wohingegen das Fehlen von MCP-1 in den Myelinmutanten zu einer Verteilung dieser Ionenkanäle führte, die ähnlich zu Wildtyp-Mäusen war. Da MCP-1 in den PMP22/MCP-1 Doppelmutanten einen deutlichen Einfluss auf die Pathogenese aufwies, wurde die Regulation dieses Chemokins im Hinblick auf mögliche Therapie-Ansätze untersucht. Diese Untersuchung zeigte, dass die MEK1/2/ERK1/2-Signalkaskade in peripheren Nerven von PMP22tg Mäusen stärker aktiviert wird als in Nerven von Wildtyp-Tieren. Die Aktivierung dieser Signalkaskade ging dabei mit einer erhöhten MCP-1 mRNA Expression in peripheren Nerven von Tieren des gleichen Alters einher. Ergänzend wurde ein MEK1/2-Inhibitor in vivo verwendet, um die Regulation von MCP-1 durch die MEK1/2/ERK1/2 Kaskade zu bestätigen. Nach einer Behandlungszeit von drei Wochen wurde eine deutliche Reduktion der ERK1/2-Phosphorylierung, sowie eine Reduktion der MCP-1 mRNA Expression und eine geringere Makrophagen-Anzahl in peripheren Nerven von PMP22tg Mäusen detektiert. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Expression von MCP-1 entscheidend für den neuropathologischen Verlauf in einem Mausmodell für CMT1A ist. Somit bietet dieses Chemokin eine Basis für die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien peripherer Neuropathien.

Ulm, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009