Autoantikörper gegen Proteinase 3 (cANCA) stellen einen hochsensitiven und spezifischen Seromarker für das Krankheitsbild der Wegenersche Granulomatose dar. Während die Ätiologie dieser systemischen Vaskulitis unbekannt ist, weisen zahlreiche klinische und experimentelle Daten darauf hin, daß cANCA an der Entstehung und Chronifizierung dieser Erkrankung beteiligt sind. Insbesondere die Konsequenzen einer cANCA-Ligation an Proteinase 3 (PR3)-exprimierende Neutrophile wurden intensiv untersucht und man geht davon aus, daß Anti-PR3-Antikörper über die Aktivierung inflammatorischer, neutrophiler Zellfunktionen die Vaskulitis fördern. Über die Auswirkungen von cANCA auf Monozyten, die eine wichtige Rolle in der Regulation der Immunantwort spielen und weitere Zielzellen dieser Antikörper darstellen, ist hingegen bisher wenig bekannt. Aktivierte Monozyten sind nicht nur ein wesentlicher Bestandteil der Granulome, sondern sind auch entscheidend an den vaskulären Entzündungsinfiltraten beteiligt. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die Effekte von cANCA auf inflammatorische Zellfunktionen PR3-exprimierender Monozyten zu charakterisieren. Dabei war insbesondere ihr Einfluß auf die transendotheliale Migration und die Sekretion proinflammatorischer Mediatoren von Interesse. Die Isolation humaner Monozyten erfolgte mittels Gegenstromzentrifugation. Die monozytäre Transmigration wurde in mit humanen Endothelzellen bewachsenen Filtereinsätzen untersucht und mittels eines chemotaktischen Gradienten und/oder TNF-Stimulation der Endothelzellen gefördert. Die transendotheliale Migration von mit murinen, monoklonalen Anti-PR3-Antikörpern vorinkubierten Monozyten war, unabhängig vom Aktivierungszustand der Endothelzellen, deutlich vermindert. Dieser Effekt konnte sowohl durch vier von fünf cANCA-IgG-Fraktionen von Patienten mit aktiver WG als auch durch F(ab´)2-Fragmente der Autoantikörper reproduziert werden. Da bekannt ist, daß cANCA die proteolytische Aktivität von PR3 inhibieren und membrangebundenen Formen der leukozytären Serinproteasen PR3, humaner leukozytärer Elastase (HLE) und Cathepsin G (CathG) eine Rolle bei der Extravasion von Leukozyten zugesprochen wird, wurde daraufhin überprüft, ob PR3 für die monozytäre Transmigration von Bedeutung ist. Der physiologische Inhibitor dieser Serinproteasen, 1-Antitrypsin, und ein synthetischer Inhibitor von PR3 und HLE, CE-2072, verminderten die Anzahl migrierender Monozyten in gleichem Maße wie der vollständige Anti-PR3-Antikörper bzw. dessen F(ab´)2-Fragmente. Dahingegen hatte SLPI, ein Serpin, das lediglich CathG und HLE inhibiert, keinen Effekt auf die Anzahl migrierender Zellen. Dabei waren die Effekte von Anti-PR3-Antikörpern und 1-Antitrypsin nicht additiv, wodurch die Annahme, daß die Anti-PR3-mediierte Reduktion der monozytären Transmigration auf einer funktionellen Inhibition von PR3 beruht, untermauert wird. Die Reduktion der monozytären Transmigration ging nicht mit einer modifizierten endothelialen Adhäsion der Monozyten einher, wie unter dynamischen und statischen Bedingungen gezeigt werden konnte. Weder die rollende noch die feste Adhäsion der Monozyten wurde durch Anti-PR3-Antikörper oder Serinproteaseinhibitoren beeinträchtigt. Auch die durchflußzytometrisch quantifizierte Expression monozytärer ß1- und ß2-Integrine wurde durch die Autoantikörper nicht beeinflußt. Diese Ergebnisse zeigen erstmals, daß PR3 an der transendothelialen Migration, nicht aber der Adhäsion von Monozyten teilhat. Ein weiteres, wesentliches Ergebnis der vorliegenden Studie ist die, im Vergleich zu entsprechenden IgG-Kontrollen, massive Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren aus Monozyten in Gegenwart muriner Anti-PR3-Antikörper bzw. humaner cANCA, die mittels ELISA ermittelt wurde. Die Sekretion war zeitabhängig, wobei die Sekretion von TNF- und IL-1ß der von Thromboxan A2, IL-6 und IL-8 vorausging. Im Gegensatz zu den Auswirkungen von cANCA auf die monozytäre Transmigration, konnten diese Effekte nicht durch die alleinige Ligation des Antikörpers an das Antigen PR3 reproduziert werden, sondern waren von einer simultanen Ligation der Autoantikörper an PR3 und FcR auf der monozytären Oberfläche abhängig. Eine cANCA-mediierte Retention adhärenter Monozyten im Gefäßbett bei gleichzeitiger Aktivierung der monozytären Freisetzung inflammatorischer Zytokine und Prostanoide durch cANCA, könnte nicht nur die Entstehung der extra- und perivaskulären, granulomatösen Entzündung, sondern auch die Aufrechterhaltung der nekrotisierenden Vaskulitis fördern. Insgesamt weisen die Ergebnisse dieser Studie erstmals auf eine funktionelle Rolle von PR3 bei der transendothelialen Migration von Monozyten hin. Außerdem liefern sie weitere wesentliche Hinweise darauf, wie die Interaktion von cANCA mit Monozyten an der Pathogenese der Wegenerschen Granulomatose beteiligt sein könnten.

Seit 20 Jahren unterteilt man Monozyten in eine klassische CD14++/CD16-Population und eine proinflammatorische CD16+ Population. Letztere macht 10-20 % der peripheren Blutmonozyten aus und ist unter verschiedenen pathologischen Zuständen drastisch erhöht. Seit Kurzem wird die CD16+ Fraktion in zwei weitere Untergruppen aufgeteilt, die CD14++/CD16+ und die CD14+/CD16+ Monozyten. In der hier vorliegenden Arbeit wurde versucht, die relativ neue und wenig charakterisierte Subpopulation der CD14++/CD16+ Monozyten näher zu beschreiben. Es sollte die Frage beantwortet werden, ob diese sich von den übrigen Subpopulationen abzugrenzen lässt und damit als eigenständige Zellgruppe anzusehen ist. Die von gesunden Spendern gewonnen peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) wurden mithilfe einer Magnetsäulenvorseparation von einem Großteil der T-, B- und NK-Zellen befreit. Die restlichen Zellen wurden mit Anti-CD14-FITC und Anti-CD16-PE markiert. In einem Hochgeschwindigkeitssortierer wurden diese, anhand ihres Fluoreszenzmusters, in die drei Subpopulationen CD14++/CD16- (Sub1), CD14++/CD16+ (Sub2) und CD14+/CD16+ (Sub3) aufgeteilt. Durch dieses Verfahren konnte ein hoher Reinheitsgrad erreicht werden. Die erhaltenen Subpopulationen wurden mit heterologen CD4+ T-Lymphozyten zusammen gebracht. Die Reaktion dieser T-Zellen auf die verschiedenen Subpopulationen wurde im Proliferations- und Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) studiert. Des Weiteren wurde die Zytokinsekretion der Monozytenarten nach definierter Stimulierung (LPS, Zymosan, aktivierte T-Zellen) analysiert. In einem zweiten Versuchskomplex wurden aus den jeweiligen Subpopulationen unreife dendritische Zellen (Sub-DCs) differenziert und diese auf bestimmte Oberflächenmarker bzw. deren Verhalten mit heterologen CD4+ T-Zellen im Proliferations-/Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) untersucht. Nach 7 Tagen Inkubation fanden sich im Sub2- und Sub3-Ansatz ca. 10 % mehr proliferierende T-Zellen als im Sub1-Ansatz. Dabei lag der Anteil der CD25+ T-Zellen in diesen beiden Versuchsansätzen ebenfalls um 10 % höher. Der Proliferationsassay über 14 Tage zeigte für die Sub3 ca. 10-15 % mehr proliferierende T-Zellen als für die anderen Populationen. Das Niveau der CD25-Expression der T-Zellen war hierbei in allen drei Ansätzen gleich. Im Sekretionsassay induzierten alle drei Subpopulationen eine Th1-Antwort, jedoch mit einem leicht höheren Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen für die CD16+ Monozyten. Durch LPS-Gabe produzierten die CD14+/CD16+ Monozyten am meisten TNF-α, gefolgt von den CD14++/CD16+. Bei den CD14++/CD16- fanden sich die geringsten Mengen an TNF-α. Zusammen mit aktivierten T-Zellen demonstrierten die CD14++/CD16+ Monozyten die stärkste TNF-α-Sekretion unter allen anderen Subpopulationen. Für die beiden CD16+ Populationen wurden nach LPS-Stimulation höhere Werte für IL-1β bestimmt als für die klassischen Monozyten. Sowohl im LPS- als auch im Zymosanansatz lag die IL-6-Sekretion der CD14++/CD16- Subpopulation über der der anderen zwei Fraktionen. Unter allen drei Stimuli wurden die höchsten Werte für IL-8 bei den CD14++/CD16- Monozyten detektiert, gefolgt von den CD14++/CD16+. Am niedrigsten lag die IL-8-Produktion bei den CD14+/CD16+. Die IL-10-Sekretion im LPS- und im Zymosanansatz der CD14++/CD16- und CD14++/CD16+ Monozyten war gegenüber der CD14+/CD16+ Subpopulation erhöht. Nach Entwicklung der unreifen dendritischen Zellen aus den entsprechenden Monozytenarten weisen diese eine differenzierte Morphologie auf. Die DCs der CD14+/CD16+ Monozyten hatten eine stärkere HLA-DR-Expression in der mittleren Fluoreszenzintensität als die anderen beiden Sub-DC-Populationen, wobei sich keine Unterschiede in der HLA-DRExpressionsintensität zwischen Sub1- und Sub2-DCs feststellen ließen. Der Anteil der CD11c positiven Zellen war bei den Sub1-DCs deutlich größer als bei den Sub2-DCs. Dagegen exprimierten die Sub3-DCs praktisch kein CD11c. Im Proliferationsassay über 7 Tage ergaben sich keine signifikanten Differenzen zwischen den Subpopulationen. Allerdings zeigte sich eine Tendenz zu geringeren Werten im Anteil proliferierender bzw. CD25-positiver T-Lymphozyten für den Sub2-DC-Ansatz. Nach 14 Tagen im Assay war der Anteil der proliferierenden T-Zellen bei den Sub1-DCs um 10 % höher als bei den Sub2-DCs. Es fanden sich ca. 10 % mehr CD25+ T-Zellen im Sub1-DC-Ansatz als in den anderen beiden Ansätzen. Der Sekretionsassay erbrachte für alle Sub-DCs eine Th1-Induktion der T-Zellen. Dabei ließen sich keine Abweichungen im Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen zwischen den einzelnen Sub-DC-Kulturen nachweisen. Die gewonnen Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen auf der einen Seite das proinflammatorische Potential (z.B. TNF-α-Sekretion, erhöhte Proliferation), auf der anderen Seite die antiinflammatorische Komponente (IL-10-Sekretion) der CD14++/CD16+ Monozyten. Eine Rolle in der Regulation von entzündlichen und infektiologischen Erkrankungen erscheint für diese Subpopulation denkbar. Die Subpopulation 2 kann dabei als eigenständige Monozytenfraktion betrachtet werden. Die funktionellen Unterschiede zwischen den analysierten Monozytensubpopulationen zeigten sich auch nach deren Differenzierung zu unreifen dendritischen Zellen. In Anbetracht des erhöhten Anteils der CD16+ Monozyten im Rahmen diverser autoimmuner Krankheiten und der immer klarer werdenden Unterteilung in eine CD14++/CD16+ und eine CD14+/CD16+ Subpopulation, sollten weitere Untersuchungen zur klinischen Relevanz dieser Monozytengruppen durchgeführt werden. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse könnten bei der Zuordnung und Interpretation in diese zukünftigen klinischen Befunde behilflich sein. / For more than 20 years monocytes were subdivided in the classical CD14++/CD16- population and the proinflammatory CD16+ populations. The latter one includes about 10-20 % of the peripheral blood monocytes and is dramatically expanded under different pathological circumstances. Recently, the CD16+ fraction was further subdivided into two subpopulations: The CD14++/CD16+ and CD14+/CD16+ monocytes. In the present paper, the subpopulation of CD14++/CD16+ monocytes was characterized in order to answer the question if this subset can be distinguished as an independent cell population. T cells, B cells and NK cells were depleted from peripheral mononuclear blood cells (PBMCs) from healthy donors using immunomagnetic cell separation. Subsequently, the pre-separated cells were stained with anti-CD14-FITC and anti-CD16-PE and separated by fluorescence activated cell sorting (FACS) in three subpopulations: The CD14++/CD16- (Sub1), the CD14++/CD16+ (Sub2) and the CD14+/CD16+ (Sub3). The achieved purity was sufficient for the subsequent experiments. The obtained subpopulations were co-cultured together with heterologous CD4+ T lymphocytes. The reaction of these T cells to the different subpopulations was studied in the proliferation and secretion assay (IFN-γ, IL-4). Furthermore, the cytokine secretion of the monocyte subsets after defined stimulation (LPS, Zymosan, activated T cells) was analysed. In a second set of experiments, immature dendritic cells were differentiated from the monocyte subpopulations (Sub-DCs) and phenotypically and functionally characterized according to the expression of cell surface markers and the response to heterologous CD4+ T cells in the proliferation/secretion assay (IFN-γ, IL-4). After 7 days of incubation, the Sub2 and Sub3 of the monocytes induced approximately 10 % higher proliferation rates of T cells than the Sub1. The resulting frequency of CD25+ T cells in these two co-culture settings was also 10 % higher. The proliferation analysis after 14 days again showed for the Sub3 ca. 10-15 % more proliferating T cells than for the other populations. At this, the frequency of CD25 expression was equal in all co-cultures. In the secretion assay all three subpopulations induced a Th1 response, but the range of IFN-γ-positive T cells was somewhat higher for the CD16+ monocytes. Under LPS stimulation the CD14+/CD16+ monocytes produced the highest amounts of TNF-α followed by the CD14++/CD16+. The CD14++/CD16- showed the lowest amounts of TNF-α. In co-culture with activated T cells the CD14++/CD16+ monocytes demonstrated the strongest TNF-α secretion from all subpopulations. After LPS stimulation, a higher level of IL-1β was measured for both CD16+ populations than for the classical monocytes. In the LPS and the Zymosan stimulated cultures, the IL-6 secretion of the CD14++/CD16- subpopulation was higher than in the two other fractions. Under all three stimuli the highest levels of IL-8 were detected for the CD14++/CD16- monocytes followed by the CD14++/CD16+. The lowest IL-8 production was found by the CD14+/CD16+. The IL-10 secretion of the CD14++/CD16- and CD14++/CD16+ monocytes was increased compared to the CD14+/CD16+ subpopulation after LPS and Zymosan stimulation. The in vitro generated immature dendritic cells from the different monocyte subsets showed a differentiated morphology. The DCs of the CD14+/CD16+ monocytes had the strongest HLA-DR expression compared to the other two Sub-DC populations. No differences in the HLA-DR intensity were found between the Sub1- and Sub2-DCs. The rate of CD11c-positive cells was significantly higher in the Sub1-DCs than in the Sub2-DCs. However, the Sub3-DCs expressed no CD11c altogether. The proliferation assay over 7 days showed no significant differences between the subpopulations. Nevertheless, a tendency for lower levels of proliferating or CD25-positive T lymphocytes was seen in T cells co-cultured with the Sub2-DC. After 14 days, the ratio of proliferating T cells was 10 % higher with the Sub1-DCs than with the Sub2-DCs. The Sub1-DC co-culture yielded ca. 10 % more CD25+ T cells than the other two. The secretion assay revealed for all Sub-DCs a Th1 response of the T cells, with no differences in the amount of IFN-γ-positive T cells between the Sub-DC cultures. The results illustrate on one hand the proinflammatory potential (e.g. TNF-α secretion, higher proliferation), on the other hand the antiinflammatory effect (IL-10 secretion) of CD14++/CD16+ monocytes. A role in the regulation of inflammatory and infectious diseases seems to be possible for this subpopulation. The subpopulation 2 can be regarded as an independent fraction of monocytes. The functional differences between the analyzed monocyte subpopulations are further underscored following differentiation into immature dendritic cells. Considering the increased proportion of CD16+ monocytes in various autoimmune diseases and their clear subdivision in a CD14++/CD16+ and a CD14+/CD16+ subpopulation, new investigations about the clinical relevance are warranted. The findings obtained in the work presented could be in the basis for these future clinical studies.

DCs play a pivotal role in orchestrating innate and adaptive antitumor immunity. Activated DCs can produce large amounts of various proinflammatory cytokines, initiate T-cell responses, and exhibit direct cytotoxicity against tumor cells. They also efficiently enhance the antitumoral properties of NK cells and T lymphocytes. Based on these capabilities, immunogenic DCs promote tumor elimination and are associated with improved survival of patients. Furthermore, they can essentially contribute to the clinical efficacy of immunotherapeutic strategies for cancer patients. However, depending on their intrinsic properties and the tumor microenvironment, DCs can be rendered dysfunctional and mediate tolerance by producing immunosuppressive cytokines and activating Treg cells. Such tolerogenic DCs can foster tumor progression and are linked to poor prognosis of patients. Here, we focus on recent studies exploring the phenotype, functional orientation, and clinical relevance of tumor-infiltrating conventional DC1, conventional DC2, plasmacytoid DCs, and monocyte-derived DCs in translational and clinical settings. In addition, recent findings demonstrating the influence of DCs on the efficacy of immunotherapeutic strategies are summarized.

Bei Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose (MS) kommt es zu einer fehlgesteuerten Immunantwort mit Aktivierung und Persistenz autoreaktiver T-Zellen. Apoptose-regulierende Mechanismen wie das CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- und TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Die lösliche Form des CD95-Rezeptor (sCD95) kann an CD95L binden und so die Apoptose aktivierter T-Zellen verhindern. Die systemische Blockade von TRAIL führt zur Exazerbation von Autoimmunerkrankungen in Tierversuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die Expression, Regulation und Bedeutung sowohl von sCD95 als auch von löslichem TRAIL (sTRAIL) und membranständigem TRAIL bei gesunden Probanden und Patienten mit schubförmig remittierender MS (RRMS) untersucht. Zytokine wurden mit ELISAs, Zelloberflächenproteine sowie Apoptose im Durchflusszytometer gemessen. Die Untersuchungen mit magnetisch gereinigten humanen Leukozytensubpopulationen und Zelllinien zeigten, dass sCD95 lediglich von zelltyp-spezifisch aktivierten humanen T-Zellen, sezerniert wird. TRAIL wurde vor allem von Monozyten, die mit IFN-beta stimuliert waren, sezerniert und auf der Zelloberfläche exprimiert. Zellkulturüberstände, die sTRAIL enthielten, lösten Apoptose in suszeptiblen Tumorzellen aus. TRAIL führte zu einer signifikanten Inhibition der Proliferation und der Produktion von Th1- und Th2-spezifischen Zytokinen bei humanen (auto)antigenspezifischen T-Zellen. Weder für die sCD95- noch für die TRAIL-Expression wurden Unterschiede zwischen RRMS-Patienten und gesunden Probanden nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein komplexes Regulations- und Expressionsmuster von sCD95 und TRAIL, ohne jedoch Anhaltspunkte für Unterschiede zwischen MS-Patienten und Gesunden zu liefern. Es ergaben sich wichtige Hinweise darauf, dass der protektive immunomodulatorische Effekt einer systemischen IFN-beta-Therapie bei MS durch TRAIL vermittelt werden könnte. / Autoimmune disorders such as Multiple Sclerosis (MS) are characterized by an aberrant immune response with activation and persistence of autoreactive T-cells. Apoptosis-regulating mechanism such as the CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- and the TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System may play a major role in this process. The soluble CD95 receptor (sCD95) can bind to CD95L and subsequently inhibit apoptosis of activated T-cells. The systemic blockade of TRAIL leads to the exacerbation of autoimmune disease in animal experiments. In this work I investigated the expression, regulation and significance of sCD95, soluble TRAIL (sTRAIL) and membrane-bound TRAIL in patients with remitting-relapsing MS (RRMS), and in healthy controls. Cytokines were measured by ELISA, membrane bound proteins and apoptosis were measured by flow cytometry. The experiments with magnetically sorted human leucocyte subpopulations and cell lines showed, that only cell-type specific activated human T-cells secrete sCD95. Both forms of TRAIL were expressed by monocytes stimulated with IFN-beta. Cell supernatants containing sTRAIL induced apoptosis in susceptible tumour cells. Furthermore TRAIL inhibited proliferation of (auto)antigen-specific T cells and the production of Th-1 and Th-2 specific cytokines. There were no differences in the expression of sCD95 and TRAIL between RRMS patients and healthy controls. This work shows a complex regulation pattern of sCD95 and TRAIL without being able to detect differences between MS patients and healthy controls. However, results point out that TRAIL could be an important mediator of the immunomodulatory effects of systemic IFN-beta therapy in MS.

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Dendritische Zellen (DZ) sind essentiell für die Aktivierung von Immunantworten. Drei Flt3-abhängige DZ Populationen aus dem Blut bestehend aus konventionellen (kDZ) BDCA1+ DZs und BDCA3+ DZs und plasmazytoide DZs wurden bereits beschrieben. Hier wurden zum ersten Mal sich aus Monozyten entwickelnde DZ (moDZ), genauer BDCA1+CD14+ pro-inflammatorische DZ (pro-iDZ) aus periphärem Blut unter homöostatischen Bedingungen identifiziert. Isolierte pro-iDZ sekretierten spontan große Mengen an pro-inflammatorischen Zytokinen, die kDZ reifen ließen und T Zell Proliferation unterstützten. Sie waren BDCA1+CD14- DZ und CD14+CD16- Monozyten in der TH17 Zell Induktion überlegen. Pro-iDZ ähnliche BDCA1+CD14+ Zellen konnten durch imaging cycler microscopy in Geweben von Patienten die an Psoriasis, Dermatomyositis oder entzündetem Halonävus erkrankt waren identifiziert werden. Ihr Fehlen in gesunder Haut deutete eine Rekrutierung von pro-iDZs in entzündetes Gewebe an. Eine Verwandtschaftsanalyse von pro-iDZ zwischen Monozyten, kDZ des Blutes und in vitro generierten moDZ auf genomweiter Ebene wies auf einen monozytären Ursprung hin. Anylse mittels funktioneller Annotation auf differentiell exprimierten Genen zwischen pro-iDZ und Monozyten zeigte eine DZ spezifische Gensignatur auf. Diese Gene waren insgesamt in der gleichen Weise wie in kDZ und moDZ reguliert, das eine Entwicklung von Monozyten nach DZ nahelegte. Dieses Entwicklungskonzept wurde insofern unterstützt, indem unter entzündlichen Bedingungen kultivierte CD14+CD16- Monozyten BDCA1 Expression und DZ Funktion erlangten. Da pro-iDZ sehr ähnlich zu BDCA1+CD14+ Zellen aus entzündeter Haut waren und beide große Konvergenz mit zuvor beschriebenen BDCA1+CD14+ inflammatorischen DZ (infDZ) aus entzündeten Geweben aufwiesen, können pro-iDZ als direkte infDZ Vorläufer angesehen werden. Dadurch und wegen ihrer monozytären Herkunft können pro-iDZ als Beweis für die humane Differenzierung von Monozyten nach DZ in vivo betrachtet werden. / Dendritic cells (DCs) are critical for the activation of immune responses. Three Flt3-dependent blood DC populations including conventional BDCA1+ DCs and BDCA3+ DCs (cDCs) and plasmacytoid DCs were described previously. This work identifies for the first time human peripheral blood monocyte derived BDCA1+CD14+ pro-inflammatory DCs (pro-iDCs) during steady state. Isolated pro-iDCs spontaneously secreted high amounts of pro-inflammatory cytokines, which matured cDCs and promoted T cell proliferation. They were superior in priming TH17 cells when compared to BDCA1+CD14- DCs and CD14+CD16- monocytes. BDCA1+CD14+ cells resembling blood pro-iDCs as identified by imaging cycler microscopy were found in samples from patients suffering from psoriasis, dermatomyositosis and inflamed halo nevus. Their absence in healthy donor’s skin indicated a recruitment of pro-iDCs to sites of inflammation. Analysis of the developmental relationship of pro-iDCs between monocytes, blood cDCs and in vitro generated monocyte derived DCs (moDCs) on whole genome level strongly suggested a monocytic origin. Functional annotation analysis of differentially regulated genes between monocytes and pro-iDCs revealed a DC specific gene signature. In addition, these genes were overall regulated in the same way in blood cDCs and moDCs, indicating an ongoing development of pro-iDCs from monocytes towards DCs. This developmental concept was supported as CD14+CD16- monocytes cultured under inflammatory conditions gained BDCA1 expression and DC function. Since pro-iDCs were highly similar to BDCA1+CD14+ cells found in inflamed skin and as both showed a marked convergence with BDCA1+CD14+ inflammatory DCs (infDCs) present in inflamed tissues described previously, pro-iDCs can be regarded as immediate precursors of infDCs. Thus, in respect of a monocytic origin and a presumably inflammatory DC fate, pro-iDCs may constitute a missing link to prove human moDC differentiation in vivo.

Stem cells differentiate through an organized hierarchy of intermediate cell types to terminally differentiated cell types. This process is largely guided by master transcriptional regulators, but it also depends on the expression of many other types of genes. The discrete cell types in the differentiation hierarchy are often identified based on the expression or non-expression of certain marker genes. Historically, these have often been various cell-surface proteins, which are fairly easy to assay biochemically but are not necessarily causative of the cell type, in the sense of being master transcriptional regulators. This raises important questions about how gene expression across the whole genome controls or reflects cell state, and in particular, differentiation hierarchies. Traditional approaches to understanding gene expression patterns across multiple conditions, such as principal components analysis or K-means clustering, can group cell types based on gene expression, but they do so without knowledge of the differentiation hierarchy. Hierarchical clustering and maximization of parsimony can organize the cell types into a tree, but in general this tree is different from the differentiation hierarchy. Using hematopoietic differentiation as an example, we demonstrate how many genes other than marker genes are able to discriminate between different branches of the differentiation tree by proposing two models for detecting genes that are up-regulated or down-regulated in distinct lineages. We then propose a novel approach to solving the following problem: Given the differentiation hierarchy and gene expression data at each node, construct a weighted Euclidean distance metric such that the minimum spanning tree with respect to that metric is precisely the given differentiation hierarchy. We provide a set of linear constraints that are provably sufficient for the desired construction and a linear programming framework to identify sparse sets of weights, effectively identifying genes that are most relevant for discriminating different parts of the tree. We apply our method to microarray gene expression data describing 38 cell types in the hematopoiesis hierarchy, constructing a sparse weighted Euclidean metric that uses just 175 genes. These 175 genes are different than the marker genes that were used to identify the 38 cell types, hence offering a novel alternative way of discriminating different branches of the tree. A DAVID functional annotation analysis shows that the 175 genes reflect major processes and pathways active in different parts of the tree. However, we find that there are many alternative sets of weights that satisfy the linear constraints. Thus, in the style of random-forest training, we also construct metrics based on random subsets of the genes and compare them to the metric of 175 genes. Our results show that the 175 genes frequently appear in the random metrics, implicating their significance from an empirical point of view as well. Finally, we show how our linear programming method is able to identify columns that were selected to build minimum spanning trees on the nodes of random variable-size matrices.

La réponse immunitaire est régulée spatialement et temporellement. Les cellules immunitaires font partie d’une plus grande communauté de populations cellulaires interconnectées qui coordonnent leurs actions par la signalisation intercellulaire. Suivant une blessure hépatique, la distribution et la composition du compartiment immunitaire évoluent rapidement au fil du temps. Par conséquent, l’information sur la position des cellules immunitaires dans le tissu hépatique est essentielle à la bonne compréhension de leurs fonctions dans la santé et la maladie. Cependant, l’organisation spatiale des cellules immunitaires en réponse à une atteinte hépatique aiguë, ainsi que les conséquences fonctionnelles de leur distribution topographique spécifique, restent mal comprises. Les macrophages hépatiques sont des cellules effectrices clés pendant l’homéostasie et en réponse à des blessures, et sont impliqués dans la pathogenèse de plusieurs maladies du foie. L’hétérogénéité et plasticité des macrophages dans le foie a été exposée avec l’émergence du séquençage de l’ARN, la cytométrie en flux et la cytométrie de masse. Ces techniques ont sensiblement contribué à la compréhension de l’origine, et fonctions des macrophages dans le foie. Cependant, ces technologies impliquent la destruction du tissu pour la préparation de suspension cellulaires ce qui entraîne une perte d’information spatiale et de contexte tissulaire. Par conséquent, la caractérisation spatiale et temporelle des macrophages dans le tissu hépatique pendant l’homéostasie tissulaire, et en réponse à une blessure, fournit une nouvelle information sur la façon dont les macrophages se rapportent aux cellules voisines et leur comportement pendant les réponses immunitaires. Dans la première partie de cette étude, nous avons conçu une stratégie pour le phénotypage spatial des cellules immunitaires hépatiques dans des échantillons de tissus. Cette stratégie combine techniques d'imagerie et l’alignement numérique des images pour surmonter les limitations actuelles du nombre de marqueurs pouvant être visualisés simultanément. En outre, nous avons généré des protocoles pour la quantification automatisée des cellules d’intérêt dans des sections de tissus pour réduire la subjectivité associée à la quantification par inspection visuelle, et pour augmenter la surface et la vitesse de l’analyse. Par conséquent, un plus grand nombre de populations de cellules immunitaires ont été visualisées, quantifiées et cartographiées, et leurs relations spatiales ont été déterminées. Dans la deuxième partie de l’étude, nous avons déterminé la cinétique et la dynamique spatiale des cellules de Kupffer (KCs) et des macrophages dérivés de monocytes (MoMFs) en réponse à une atteinte hépatique aiguë au CCl4, afin de mieux comprendre leurs rôles fonctionnels, et la répartition du travail entre eux. Nous avons constaté que les KC et les MoMFs présentent des différences au niveau de la distribution tissulaire, la morphologie, et la cinétique. En plus, seulement les KCs ont proliféré pour repeupler la population de macrophages résidents pendant la réparation tissulaire. Finalement, nous avons montré que le degré de colocalization de KCs et des MoMFs avec les cellules stellaires est différent. En plus, cette colocalisation varie avec la progression de la réponse immunitaire. Dans l’ensemble, nous avons montré que les KCs et les MoMFs ont des profils spatiaux et temporels différents en réponse à une atteinte hépatique aiguë. Dans l’ensemble, les observations faites dans cette étude suggèrent que le comportement spatial et temporel d’une sous-population donnée de cellules immunitaires est distinct et sous-tend sa capacité à remplir ses fonctions spécifiques pendant la réponse immunitaire. / The immune response is spatially and temporally regulated. Immune cells are part of a larger community of interconnected immune and non-immune cell populations that coordinate their actions mostly through cell-cell intercellular signaling. In the liver, the distribution pattern, and the composition of the immune compartment evolve during an immune response to injury influencing disease pathology, progression, and response to treatment. Hence, information on the location and interacting partners of immune cells in the hepatic tissue is critical for the proper understanding of their functions in health and disease. However, the spatial organization of hepatic resident and infiltrating immune cells in response to acute injury, and the functional consequences of their specific topographical distribution, remain poorly defined. Hepatic macrophages are key effector cells during homeostasis and in response to injury and are involved in the pathogenesis of several liver diseases. The heterogeneity and plasticity of the macrophage compartment in the liver have only recently started to be appreciated with the emergence of RNA sequencing, flow cytometry, and mass cytometry. Detailed transcriptomic and phenotypic profiling have deeply expanded our understanding of macrophage biology. However, these technologies involve tissue disruption with loss of spatial information and tissue context. Therefore, the spatial and temporal profiling of liver macrophages in tissue samples during the steady state, and in response to injury, provide novel information on how the macrophages relate to neighboring cells and their behavior during immune responses. In the first part of this study, we designed a strategy for the spatial phenotyping of hepatic immune cells in tissue samples. This strategy combined serial and sequential labeling, and digital tissue alignment to overcome current limitations in the number of markers that can be simultaneously visualized. In addition, we generated protocols for automated quantification of cells of interest in whole tissue sections which removed the subjectivity associated with quantification by visual inspection and greatly increased the area and the speed of the analysis. As a result, a larger number of immune cell populations were visualized, quantified, and mapped, and their spatial relations were determined in an unbiased manner. In the second part of this study, we monitored the kinetics, and spatial dynamics of resident Kupffer cells (KCs) and infiltrating monocyte-derived macrophages (MoMFs) in response to acute liver injury with CCl4, to gain insight into their functional roles, and the distribution of labor between them. KCs and MoMFs exhibited different tissue distribution patterns and cell morphology, different kinetics, and occupied neighboring but unique microanatomical tissue locations. KCs and MoMFs displayed a different capacity to replenish the macrophage pool upon acute injury, and were differentially related to hepatic stellate cells. Different kinetics and spatial profiles revealed that KCs and MoMFs have distinct spatial signatures and suggest that they perform distinct functions during the wound-healing response to acute liver injury. In summary, we optimized techniques and put together a strategy for the spatial profiling of hepatic immune cells. Then, we used this methodology to profile resident and infiltrating macrophage subpopulations to gain insight into their biology and distinct contribution to healing in response to acute liver injury. Overall, the observations made in this study suggest that the spatial and temporal behavior of a given subpopulation of immune cells underlie its ability to perform its specific functions during the immune response.