Die erfolgreiche Übertragung der vielversprechenden Ergebnisse aus zahlreichen Kleintierstudien zu den neuroprotektiven und -regenerativen Eigenschaften des Wachstumsfaktors G-CSF auf eine multizentrische randomisierte Phase-IIa-Studie misslang. Bei näherer Betrachtung fiel eine deutlich höhere Dosierung des Wachstumsfaktors in der humanen Studie im Vergleich zu den erfolgreichen präklinischen Studien auf, sodass Fragen nach einem schädigenden Einfluss möglicher immunologischer Veränderungen aufkamen.Um dies zu überprüfen, wurde in einem murinen Schlaganfallmodell eine quantitative FACS-Analyse des frühen entzündlichen Hirninfiltrats und der Immunzellpopulationen im peripheren Blut mit besonderem Augenmerk auf neutrophile Granulozyten 24 Stunden nach (Schein-)Schlaganfall durchgeführt. Ergänzend erfolgte eine immun-histochemische Beurteilung des Infiltrationsverhaltens neutrophiler Granulozyten, wobei neben der räumlichen Verteilung die Zellmorphologie untersucht wurde.:Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VII 1 Einleitung 1 1.1 Der Schlaganfall 1 1.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Relevanz 1 1.1.2 Ätiologie und Pathogenese 1 1.1.3 Klinische Symptomatik 2 1.1.4 Rekanalisierende Therapie 2 1.2 Immunologie des Schlaganfalls 3 1.2.1 Das Gehirn als immunprivilegiertes Organ 3 1.2.2 Immunantwort nach Schlaganfall 3 1.2.3 Bedeutung neutrophiler Granulozyten für die Immunantwort 6 1.2.4 Rolle des neutrophilen Granulozyten im Schlaganfall 7 1.3 Der Granulozyten Kolonie-stimulierende Faktor 10 1.3.1 G-CSF im Schlaganfall 10 1.3.2 Einführung 12 1.3.3 Präklinische Schlaganfallstudien mit G-CSF 14 1.3.4 klinische Schlaganfallstudien mit G-CSF 14 1.4 Dosistranslation von experimentellen zu klinischen Studien 16 2 Zielstellung der Arbeit 17 3 Material und Methoden 18 3.1 Versuchstiere 18 3.2 Schlaganfallmodell 18 3.3 Ein- und Ausschlusskriterien 19 3.4 Versuchsplan 20 3.5 Behandlung mit G-CSF 21 3.6 Euthanasie und transkardiale Perfusion 22 3.7 Quantifizierung der Leukozytenzahl im Vollblut 23 3.8 Durchflusszytometrische Aufarbeitung 23 3.8.1 Lyse- und Färbeprotokoll Blut 23 3.8.2 Isolation von Immunzellen aus dem Maushirn und Färbeprotokoll 24 3.9 Durchflusszytometrische Analyse 25 3.10 Histopathologische Aufarbeitung 26 3.10.1 Anfertigung histologischer Schnitte im Kryostat 26 3.10.2 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 27 3.10.3 Immunfluoreszenz 27 3.10.4 Differenzierung von Granulozyten und Monozyten 29 3.10.5 Immunhistochemische Auszählung 29 3.10.6 Darstellung der räumlichen Verteilung 31 3.11 Statistische Auswertung 33 4 Ergebnisse 34 4.1 Durchflusszytometrie 34 4.1.1 Veränderungen des Körper- und Milzgewichts 34 4.1.2 Immunzellpopulationen im peripheren Blut 35 4.1.3 Immunzellpopulationen im Hirnisolat 38 4.2 Immunhistochemie 42 4.2.1 Differenzierung von Monozyten und Granulozyten 42 4.2.2 Quantitative Analyse 43 4.2.2.1 Ipsilateral / kontralateral 44 4.2.2.2 Meningeal / intrazerebral 45 4.2.2.3 Rund / stäbchenförmig 46 4.2.3 Räumliche Verteilung der neutrophilen Granulozyten 47 5 Diskussion 51 5.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 51 5.2 G-CSF und die Einwanderung neutrophiler Granulozyten 53 5.3 G-CSF und die Zusammensetzung des frühen entzündlichen Infiltrats im Gehirn 54 5.4 G-CSF und die räumliche Verteilung einwandernder neutrophiler Granulozyten 56 5.5 G-CSF und die Zellmorphologie einwandernder neutrophiler Granulozyten 58 5.6 G-CSF und die periphere bzw. systemische Immunantwort 60 5.7 Methodische Einflussfaktoren und Limitationen der Arbeit 63 5.7.1 Berechnung der murinen Äquivalenzdosis 63 5.7.2 Wahl des Schlaganfallmodells 64 5.7.3 Immunologische Unterschiede zwischen Maus und Mensch 65 5.7.4 Methoden und Versuchstieranzahl 66 5.7.4.1 Durchflusszytometrie 66 5.7.4.2 Immunhistochemie 67 5.8 Ausblick 68 6 Zusammenfassung 70 Literaturverzeichnis XI Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit XXVII Tabellarischer Lebenslauf XXVIII Publikationen XXIX Danksagung XXX

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Human 5-lipoxygenase (5-LOX) oxidizes arachidonic acid to 5S-hydroperoxy-6E,8Z,11Z,14Z-eicosatetraenoic acid (5-HpETE) and leukotriene (LT) A4. In neutrophils, LTA4 is further converted to the potent chemoattractant LTB4. These cells also contain the heme enzyme myeloperoxidase (MPO), which produces several potent oxidants such as hypochlorous acid (HOCl), which are involved in pathogen defense and immune regulation. Here, we addressed the question whether MPO-derived oxidants are able to affect the activity of 5-LOX and the product profile of this enzyme. Human 5-LOX was incubated with increasing amounts of HOCl or HOBr. Afterward, arachidonic acid metabolites of 5-LOX were analyzed by reverse-phase high-performance liquid chromatography as well as by liquid chromatography-electrospray ionization-tandem mass spectrometry. The incubation of 5-LOX with the MPO-derived oxidants significantly changed the product profile of 5-LOX. Thereby, HOCl and HOBr increased the ratio of 5-H(p)ETE to 6-trans-LTB4 in a concentration-dependent manner. At low oxidant concentrations, there was a strong decrease in the yield of 6-trans-LTB4, whereas 5-HpETE did not change or increased. Additionally, the formation of 8-HpETE and 12-HpETE by 5-LOX rose slightly with increasing HOCl and HOBr. Comparable results were obtained with the MPO-H2O2-Cl– system when glucose oxidase and glucose were applied as a source of H2O2. This was necessary because of a strong impairment of 5-LOX activity by H2O2. In summary, MPO-derived oxidants showed a considerable impact on 5-LOX, impairing the epoxidation of 5-HpETE, whereas the hydroperoxidation of arachidonic acid was unaffected. Apparently, this was caused by an oxidative modification of critical amino acid residues of 5-LOX. Further work is necessary to assess the specific type and position of oxidation in the substrate-binding cavity of 5-LOX and to specify whether this interaction between 5-LOX and MPO-derived oxidants also takes place in stimulated neutrophils.

La pandémie de tuberculose (TB) causée par Mycobactérium tuberculosis (Mtb) n’est pas contrôlée par le vaccin vivant BCG. Mtb induit la formation de granulomes qui évoluent vers une réaction inflammatoire exacerbée détruisant le poumon lors de la TB active. Les rôles des polynucléaires neutrophiles (PNN) et de la cytokine inflammatoire IL-17A dans cette évolution sont à clarifier. Nous montrons, chez la souris, que les PNN sont recrutés dans le poumon en deux vagues après infection par Mtb ou BCG. La deuxième vague dépend du récepteur IL-17RA exprimé par les cellules non-hématopoïétiques. Les chimiokines CXCL-1 et 5 attirant les PNN semblent impliquées. Dans le poumon, ces PNN produisent la cytokine immunosuppressive IL-10 qui diminue la production d’IL-17A. Les cellules dendritiques infectées, présentes dans le granulome, sécrètent aussi CXCL-1. Elles attirent les PNN qui produisent de l’IL-10 bloquant la production d’IL-17A mais pas d’IFN-γ. En effet, seuls les lymphocytes CD4+ Th17 expriment le récepteur à l’IL-10. Nos travaux apportent un éclairage nouveau sur les PNN régulateurs dans le contrôle de inflammation due à l’IL-17A lors de la TB. / Tuberculosis (TB) pandemic, caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), is not controlled by the live vaccine BCG. Mtb induces granuloma formation developing to exacerbated inflammation that destroys the lung during active TB. Roles played by polymorphonuclear neutrophils (PMN) and inflammatory cytokine IL-17A remain ill defined. We show, in the mouse model, that PMN reach the lung in two waves following lung infection with BCG or Mtb. Only the second wave depends on receptor IL-17A expression by non hematopoietic cells. PMN chemoattractants CXCL-1 and 5 seem involved in this late recruitment. In the lung PMN produce immunosuppressive IL-10 that dampens IL-17A production. Mycobacteria infected dendritic cells, present inside granuloma, also secrete CXCL-1. Neutrophils attracted towards infected dendritic cells secrete IL-10 that inhibits IL-17A but not IFN-g production. Indeed, CD4+ Th17 and not Th1 express the IL-10 receptor. Our data shed new light on regulatory PMN in IL-17A-driven lung inflammation during TB.

La maladie de Berger est la glomérulonéphrite la plus fréquente avec une estimation selon laquelle 1% de la population mondiale serait touchée. L’agent causal est une immunoglobuline (Ig)A anormale (polymérique et hypogalactosylée) qui se dépose dans le mésangium et provoque un dysfonctionnement rénal (protéinurie, hématurie) et des lésions glomérulaires. Dans 25% des cas, la maladie évolue sur 20 ans vers l’insuffisance rénale terminale. Des évidences, de plus en plus nombreuses, montrent que l’environnement microbien, en particulier bactérien, commensal ou pathogène, a un impact important sur le développement de la maladie. Au cours de ma thèse, j’ai d’abord étudié l’effet d’une molécule de la paroi bactérienne, le lipopolysaccharide (LPS), sur la production des IgA dans les muqueuses chez la souris normale. Les résultats que j’ai obtenus et ceux publiés permettent de proposer que la stimulation chronique des muqueuses par l’environnement microbien conduit à une augmentation de la production d’IgA néphrotoxiques, qui, du fait d’un déficit de leur récepteur pIgR mucosal, sont anormalement dirigées vers la circulation plûtôt que dans la lumière es muqueuses. Dans une seconde partie de mon travail, j’ai étudié l’effet du LPS sur le développement de la maladie de Berger dans un modèle de souris 1KI. Ces souris génétiquement modifiées produisent de l’IgA humaine et développent spontanément des dépôts mésangiaux d’IgA mais n’ont pas de protéinurie, d’hématurie ou de lésions glomérulaires. Nos résultats montrent que le LPS provoque une forte hématurie dans les souris 1KI lorsque celles-ci expriment le récepteur des IgA humaines, CD89, à la surface des polymorphonucléaires neutrophiles. En conclusion, mon travail de thèse a permis de mettre en lumière un impact de l’environnement microbien sur pIgR et sur les polymorphonucléaires neutrophiles dont la déficience ou l’activation pourrait contribuer au développement de la maladie de Berger. / IgA nephropathy is the most frequent glomerulonephritis worldwide. It features mesangial immunoglobulin (Ig)A deposits and proteinuria, hematuria and glomerular histological lesions. In 25% patients, it evolves, within 20 years, towards the end stage renal disease. Microbial environment, through the interaction with mucosa, is believed to play a crucial role in the development of the disease. The objectives of my work were to evaluate the effect of the microbial compound lipopolysaccharide (LPS) on the production of the nephritogenic IgA in the mucosa of mice and on the development of IgA nephropathy in the murine model 1KI that spontaneously develops mesangial IgA deposits without the other signs of the disease. Our results and those previously published suggest that the chronic stimulation of mucosa by microbiota leads to the increased production of nephritogenic IgA in the mucosa. These IgA, thanks to a deficient mucosal receptor pIgR in patients with IgA nephropathy, may be abnormally routed in the blood. We also showed that LPS provokes hematuria in the 1KI mice, when they express a specific IgA receptor, CD89, on the surface of polymorphonuclear neutrophils. Altogether our findings highlight the impact of microbial environment on pIgR and on polymorphonuclear neutrophils and thus, potentially, on IgA nephropathy.

Les neutrophiles constituent une première ligne de défense contre les agents infectieux. En revanche, leur activation incontrôlée peut exacerber certaines pathologies inflammatoires telles que les allergies cutanées. Notre équipe a montré précédemment que le facteur de transcription Nrf2 connu pour son rôle anti-oxydant, régulait l’inflammation cutanée dans l’hypersensibilité de contact (HSC). Ainsi ce travail a été mené pour évaluer in vitro l’implication de la voie Nrf2 dans les fonctions des neutrophiles et pour identifier son rôle dans le recrutement et l’activation des neutrophiles dans l’HSC.In vitro, nous montrons que la protéine Nrf2 est fortement exprimée dans les neutrophiles de la moelle osseuse. Nrf2 est fonctionnelle dans les neutrophiles stimulés : il active la transcription de gènes cibles cytoprotecteurs et diminue celle des gènes de l’inflammation. Ainsi, le prétraitement des neutrophiles avec un activateur de Nrf2 tel que le sulforaphane, réduit la production des formes réactives de l’oxygène (FRO)en réponse à une stimulation. En parallèle, l’absence de Nrf2 ne semble pas affecter la phagocytose et la nétose, deux fonctions clés du neutrophile. Enfin, Nrf2 est indispensable pour une migration optimale des neutrophiles en réponse aux chimiokines.Au cours de l’HSC induite par le dinitrochlorobenzène (DNCB), Nrf2 régule indirectement le recrutement des neutrophiles, en contrôlant le stress oxydant cutané et les voies inflammatoires impliquées dans la production de chimiokines, notamment CCL2, CCL4 et CCL11. En outre, Nrf2 induit l’augmentation d’expression du scavenger CD36 dans les macrophages et augmente ainsi leur capacité à éliminer les neutrophiles apoptotiques pour initier la résolution de l’inflammation.En conclusion, l’activation de Nrf2 dans les neutrophiles participe au contrôle de la production des FRO et la migration. En outre, Nrf2 émerge comme un effecteur clé dans le contrôle du recrutement et de la clairance des neutrophiles au cours de la réponse inflammatoire cutanée aux molécules allergisantes. La mise en évidence de ces mécanismes protecteurs de Nrf2 nous permet de proposer cette protéine comme nouvelle cible thérapeutique dans le contrôle d’inflammations cutanées chroniques. / Neutrophils form the first line of defense against infectious agents. However, their uncontrolled activation may exacerbate certain inflammatory conditions such as cutaneous allergies. Our team has previously shown that Nrf2 transcription factor known for its antioxidant role, regulates skin inflammation in contact hypersensitivity (CHS). Thus, our work was carried out to evaluate in vitro the involvement of Nrf2 pathway in neutrophil functions and to identify Nrf2 role in neutrophil recruitment and activation in CHS.In vitro, we showed that the protein Nrf2 was highly expressed in bone marrow neutrophils. Nrf2 is functional in stimulated neutrophils: it activates the transcription of cytoprotective genes and downregulates that of inflammatory genes. Thus, pretreatment of neutrophils with an Nrf2 activator such as sulforaphane reduces the production of reactive oxygen species (ROS) in response to stimulation. In parallel, Nrf2 does not affect two key functions of neutrophil, phagocytosis and netosis.Finally, Nrf2 is essential for optimal migration of neutrophils toward chemokines. In CHS induced by the dinitrochlorobenzene (DNCB), Nrf2 indirectly regulates the recruitment of neutrophils, through regulation of skin oxidant stress and inflammatory pathways that are involved in chemokines production, including CCL2, CCL4 and CCL11. In addition, Nrf2 induces the up-regulation of scavenger CD36 in macrophages and thus increases their ability to eliminate apoptotic neutrophils leading to the resolution of inflammation.In conclusion, Nrf2 activation in neutrophils participates in the control of ROS production and migration. In addition, Nrf2 emerges as an important effector in the control of neutrophil recruitment and clearance during the skin inflammatory response to allergenic molecules. The demonstration of Nrf2 protective mechanisms leads us to suggest this protein as a new therapeutic target in the control of chronic skin inflammations.

La nétose du polynucléaire neutrophile (PN) correspond à la libération de filaments d’ADN recouverts de protéines appelés Neutrophil Extracellular Trap (NETs). Outre leur rôle anti-infectieux, les NETs représentent des acteurs émergents de nombreuses pathologies inflammatoires et nous avons souhaité évaluer leur implication au cours de réactions allergiques.Au cours d’une étude clinique multicentrique notre équipe a mis en évidence un mécanisme alternatif de l’anaphylaxie aux curares, impliquant les PN. La phase aiguë de ces réactions s’accompagne d’une libération de NETs dont la concentration est corrélée avec la sévérité et avec une diminution de l’expression des récepteurs activateurs des IgG à la surface des PN (FcγRs) ; ceci suggère un rôle des complexes immuns (CI) IgG/curares dans la formation des NETs au cours de ces réactions anaphylactiques.Pour confirmer cette hypothèse, la capacité d’activation de la nétose par les CI IgG a été étudiée, via la mise au point d’un modèle de stimulation in vitro des PN humains purifiés.Ce travail montre que 2 récepteurs aux IgG du PN (FcγRIIa et FcγRIIIB) contribuent à la libération de NETs en réponse à différents types de CI.En parallèle, la formation des NETs a été explorée dans un modèle de réaction allergique chronique, l’asthme. Au niveau systémique, la concentration de NETs est associée à la présence d’un asthme sévère mal contrôlé et d’une obstruction bronchique peu réversible. Inversement, la concentration de NETs dans le lavage broncho-alvéolaire est plus élevée au cours de l’asthme modéré et semble traduire un recrutement pulmonaire et une activation des PN en réponse à une colonisation microbienne.Au total nous montrons que les NETs sont libérés au cours des deux modèles de réactions allergiques choisis, aiguë (anaphylaxie aux curares) et chronique (asthme) et qu’ils pourraient représenter des biomarqueurs de sévérité. Des travaux complémentaires sont nécessaires pour déterminer dans quelle mesure les NETs contribuent à la physiopathologie des allergies. / Neutrophil netosis consists in the release of extracellular DNA filaments bound to granular proteins, called Neutrophil extracellular traps (NETs). In addition to their anti-infectious role, NETs are emerging actors of many inflammatory diseases and we decided to investigate their involvement during allergy.In a multicenter clinical study, our team highlighted an alternative mechanism of anaphylaxis to neuromuscular blocking agents (NMBA) involving neutrophils (PN). The acute phase of these reactions is characterized by NETs release which level is correlated with severity and with a decrease in IgG activating receptors (FcγRs) expression on PN; this suggests a role of immune complexes (IC) IgG / NMBA in NETs formation during these anaphylactic reactionsTo confirm this hypothesis, the ability of IgG ICs to activate netosis was studied through the development of an in vitro stimulation model of purified human PNs.This work shows that two PN IgG receptors (FcγRIIa and FcγRIIIB) contribute to NET release upon cellular activation by different ICsIn parallel, NETs formation has been explored in a model of chronic allergic reactions, asthma. At systemic level, NETs levels are associated with severe and poorly controlled asthma as well with the presence of low reversible bronchial obstruction. Conversely, NETs levels in bronchoalveolar lavage are higher in moderate asthma and appear to reflect pulmonary recruitment and activation of PN in response to microbial colonization.Taking together these results show that NETs are released during the two selected models of allergic reactions : acute (NMBA anaphylaxis) and chronic (asthma) and could be used as biomarkers of severity. Furthers works are needed to determine to what extent NETs contribute to the pathophysiology of allergy.

Les neutrophiles sont les leucocytes les plus nombreux et les premières cellules à arriver au site de l’infection où elles internalisent les pathogènes par phagocytose. Dès le début du processus, la NADPH oxydase s’assemble au phagosome où elle permet la production de formes réactives de l’oxygène contribuant ainsi à la destruction du pathogène. La sous-unité catalytique membranaire de la NADPH oxydase, Nox2, est donc présente à la coupe phagocytaire puis au phagosome. Le dessein de cette étude était de déterminer quelles sont les sources subcellulaires de la protéine Nox2, de savoir si la protéine s’accumule au phagosome et le cas échéant selon quelle cinétique. Dans le but de comprendre la dynamique de la protéine Nox2, la protéine d’échafaudage IQGAP1 qui est associée au cytosquelette a également été étudiée. Enfin l’étude de l’organisation spatiale de la protéine Nox2 à la synapse phagocytaire a également été abordé.En utilisant des cellules neutrophil-like (PLB-985) ainsi que des neutrophiles humains, notre étude a montré par immunofluorescence la présence de la protéine Nox2 dans des endosomes de recyclage ou dans des endosomes précoces. Lors de la phagocytose ils avoisinent le phagosome suggérant leur implication dans l’apport de la protéine Nox2 à la membrane de ce dernier. L’utilisation de cellules PLB-985 pour lesquelles l’expression de Nox2 a été supprimée puis réintroduite avec un transgène codant pour la protéine GFP-Nox2 montre que la sous-unité Nox2 s’accumule au phagosome pendant les vingt minutes suivant sa fermeture. Dans notre étude, la protéine IQGAP1 ne semble pas avoir d’effet sur la phagocytose ou sur la production de FRO par la NADPH oxydase. Enfin, grâce à une technique de microscopie super-résolution (le dSTORM) l’évolution du pattern de Nox2 dans la membrane a été évalué au cours du temps en phagocytose frustrée. En dix minutes, le nombre de clusters de protéine Nox2 augmente mais leur taille reste inchangée. / Neutrophils are the most numerous leukocytes and the first cells to arrive at the site of infection where they internalize pathogens by phagocytosis. From the beginning of the process, the NADPH oxidase is assembled at the phagosome, where it allows the production of reactive oxygen species (ROS), thus contributing to the destruction of the pathogen. The membrane bound catalytic subunit of the NADPH oxidase, Nox2, is therefore recruited at the phagocytic cup and then at the phagosome. The purpose of this study was to determine, which are the subcellular sources of the Nox2 protein, whether the protein accumulates at the phagosome and if so, according to which kinetics. In order to modify the dynamics of the Nox2 protein, the scaffold protein IQGAP1 that is associated with the cytoskeleton was also studied. Finally, the spatial organization of the Nox2 protein in the phagocytic synapse was also investigated.Using neutrophil-like cells (PLB-985) as well as human neutrophils, our study showed by immunofluorescence the presence of the Nox2 protein in recycled or early endosomes. During phagocytosis, they are close to the phagosome, suggesting their involvement in the contribution of the Nox2 protein to the phagosome membrane. The use of PLB-985 for which Nox2 expression has been suppressed and then reintroduced with a transgene encoding the GFP-Nox2 protein shows that the Nox2 subunit accumulates at the phagosome during the first twenty minutes after its closure. In our study, the protein IQGAP1 does not appear to have any effect on phagocytosis or on the production of ROS by NADPH oxidase. Finally, using super resolution microscopy (dSTORM) the evolution of the Nox2 pattern in the membrane has been evaluated over time in frustrated phagocytosis. Within ten minutes, the number of Nox2 protein clusters increases but their size remains unchanged.

Einleitung Streptococcus (S.) suis ist weltweit in Schweinepopulationen verbreitet. S. suis verursacht hohe wirtschaftliche Verluste durch das Auftreten von Meningitis, Arthritis, Serositis und Endokarditis und stellt als Zoonoseerreger gleichzeitig ein Risiko für den Menschen dar. Im Zusammenhang mit Infektionen in europäischen Schweinebetrieben werden Serotyp 2, 7 und 9 am häufigsten nachgewiesen. Die Bakteriämie spielt eine Schlüsselrolle in der invasiven S. suis Erkrankung und die Interaktion der Streptokokken mit den Immunzellen des Wirts im Blut ist entscheidend für den Ausgang der Infektion. Ziele der Untersuchung Das Ziel der vorliegenden Arbeit, war die Untersuchung der Fähigkeit von porzinen Immunzellen S. suis durch Phagozytose und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu töten. Dabei wurden vor allem die Bedeutung von IgM und des Komplementsystems beleuchtet. In diesem Sinne, wurde auch die Arbeitshypothese untersucht, dass eine Modifizierung der bakteriellen Zellwand durch D-Alanylierung von Lipoteichonsäuren (LTAs) S. suis hilft, angeborene Immunfunktionen zu umgehen, wie z. B. die Opsonisierung mit Komplementfaktoren, sowie dass diese Zellwandveränderung die Interaktion von S. suis mit Leukozyten beeinflusst. Material und Methoden Die Bestimmung von ROS und dem Überleben der Streptokokken wurde in vivo im Blut zweier mit S. suis-infizierter Ferkel und in vitro in einem rekonstituierten Blutmodel durchgeführt. Die ROS-Messung erfolgte unter Zugabe von Dihydrorhodamine 123 mittels Durchflusszytometrie in Granulozyten. Verschiedene Inhibitoren wurden dabei eingesetzt: Apocynin um die NADPH Oxidase und damit die ROS-Bildung zu hemmen, Vaccinia Virus Complement Control Protein (VCP) für die Inaktivierung der Komplementkaskade und IdeSsuis um porzines IgM zu spalten. Mithilfe eines thermosensitiven Vektors wurde eine isogene Deletionsmutante des dltA Gens erstellt, um den Einfluss der D-Alanylierung von LTAs zu untersuchen. Die Sequenzierung des entsprechenden Genabschnitts und ein Southern Blot dienten der genetischen Verifizierung der Mutante. Weiterhin wurden Wachstumsverhalten, Hydrophobie und Ladung der Oberfläche sowie minimale Hemmkonzentrationen einer Reihe antimikrobieller Peptide für die dltA Mutante untersucht. Die Assoziation von Blutleukozyten mit S. suis wurde mithilfe von Far Red markierten Bakterien in der Durchflusszytometrie bestimmt. Die Zytokin-Messung erfolgte mit kommerziell erhältlichen Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA)-Kits. Ergebnisse S. suis Stämme der Serotypen 2, 7 und 9 zeigten sich hochsensibel gegenüber Wasserstoffperoxid. Eine Hemmung der Bildung von ROS in rekonstituierten Blutproben führte selbst in Anwesenheit einer hohen Konzentration von S. suis-spezifischen Antikörpern zu einem signifikanten Anstieg des bakteriellen Überlebens. Die Induktion von ROS durch S. suis in Granulozyten wurde durch spezifische Antikörper verstärkt und hing partiell von der Anwesenheit funktionellen Komplements ab. In der Abwesenheit von IgG reduzierte die Spaltung von IgM oder die Inaktivierung von Komplement die ROS Produktion um mehr als das Dreifache, was in einem Anstieg des bakteriellen Überlebens resultierte. Der Mechanismus von S. suis D-Alanin in seine LTAs einzulagern, erhöhte die Hydrophobie der bakteriellen Oberfläche und reduzierte die Opsonisierung mit Komplementfaktor C3b, sowie die Phagozytose durch Granulozyten in Vollblut und die Assoziation von S. suis mit Monozyten and Lymphozyten. Trotzdem wurde das Überleben der Streptokokken in Blut, welches S. suis-spezifische Antikörper enthielt, nicht signifikant durch diese Zellwandmodifikation gesteigert. Allerdings war der durch die dltA Mutante induzierte Gehalt an IL-1β im Blut signifikant geringer als der durch den Wildtyp induzierte. Hohe Antikörperspiegel verursachten einen hochsignifikanten Anstieg der Interaktion von S. suis mit Monozyten, was bei diesen zum inflammatorischen Zelltod mit einer starken Sekretion von IL-1β und TNF-α führte. Schlussfolgerung Trotz einer Vielzahl an Abwehrmechanismen von S. suis gegen oxidativen Stress, stellen Phagozytose und ROS einen sehr effektiven Mechanismus des Immunsystems dar, um die eingedrungenen Streptokokken zu töten. Die Induktion von ROS durch S. suis hängt dabei stark von der Anwesenheit spezifischer Antikörper und teilweise von aktivem Komplement ab. Die Fähigkeit von S. suis D-Alanin in seine LTAs einzulagern, verändert Eigenschaften der bakteriellen Zellwand und vermittelt dabei Schutz vor angeborenen Immunmechanismen, wie antimikrobiellen Peptiden und dem Komplementsystem, aber sie sorgt nicht für ein besseres Überleben der Streptokokken, in der Anwesenheit von spezifischen Immunglobulinen. Sie reduziert die Assoziation von S. suis mit Monozyten, was etwas in Diskrepanz zu einer 2000 postulierten modifizierten „Trojanisches Pferd“-Theorie steht. Die durch LTA D-Alanylierung gesteigerte IL 1β Sekretion im Vollblut, führt zu der Schlussfolgerung, dass S. suis durch diese Zellwandmodifikation Entzündungsprozesse im Wirt beeinflusst.:Contents 1 Introduction 2 Literature 2.1 Streptococcus suis 2.1.1 Characteristics and classification 2.1.2 Epidemiology and Pathology 2.1.3 Pathogenesis of S. suis infection 2.1.4 Cell wall modifications of S. suis 2.2 Selected aspects of the porcine blood immune system 2.2.1 Characteristics and components of porcine blood 2.2.2 Innate immunity 2.2.2.1 Cellular innate immunity in blood 2.2.2.2 Humoral innate immunity in blood 2.2.3 Adaptive immunity 2.2.3.1 Cellular adaptive immunity in blood 2.2.3.2 Humoral adaptive immunity in blood 2.3 Interaction of S. suis with the blood immune system 2.3.1 Immune evasion strategies against blood leukocytes 2.3.2 Complement evasion and S. suis cell wall modifications 3 Publications 3.1 Survival of Streptococcus suis in Porcine Blood Is Limited by the Antibody- and Complement-Dependent Oxidative Burst Response of Granulocytes 3.2 D-Alanylation of Lipoteichoic Acids in Streptococcus suis Reduces Association with Leukocytes in Porcine Blood 4 Discussion 4.1 Phagocytosis and oxidative burst in porcine blood 4.2 Interaction of S. suis with blood monocytes and lymphocytes 4.3 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 Presentations given during the development of this thesis / Introduction Streptococcus (S.) suis is a widespread pathobiont in the porcine population. It is reason for high economic losses in the swine industry by causing meningitis, arthritis, serositis, and endocarditis, but also poses a threat to human health as a zoonotic pathogen. Serotype 2, 7 and 9 play an important role in European disease cases on pig farms. Bacteremia is a hallmark of invasive S. suis infections and the interaction of the streptococci with blood immune cells is crucial for the outcome of infection. Aim of the study The objective of this thesis was to investigate the ability of porcine blood immune cells to kill S. suis by phagocytosis and oxidative burst and the importance of IgM and the complement system in the killing process. In this context, I investigated the working hypothesis that modifying its cell wall by D-alanylation of lipoteichoic acids (LTAs) aids S. suis to evade certain functions of innate immunity, like opsonization with complement components, and influences the interaction of S. suis with blood leukocytes. Materials and Methods The investigation of reactive oxygen species (ROS) and colony forming units (CFU) was performed in vivo in the blood of two S. suis-infected piglets and in vitro in a reconstituted blood model. ROS were measured by addition of dihydrorhodamine 123 and flow cytometry analysis of granulocytes. To analyze the influence of immunological components, different inhibitors were used: apocynin inhibits the NADPH oxidase and therefore the ROS production, vaccinia virus complement control protein (VCP) inhibits the complement cascade and IdeSsuis cleaves porcine IgM. To investigate the role of D-alanylation of S. suis-LTA an isogenic in-frame deletion mutant of the dltA gene, ΔdltA, was generated by using a thermosensitive shuttle vector. It was genetically verified by sequencing of the respective gene sequence and southern blotting. Phenotypical characterization included growth behavior, evaluation of surface hydrophobicity and electric charge and minimal inhibitory concentrations of a number of antimicrobial peptides. The association of blood leukocytes with S. suis was investigated by flow cytometry, using Far Red-labeled S. suis stocks. Cytokines were detected by commercially available Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). Results S. suis strains of serotype 2, 7 and 9 were shown to be highly susceptible to oxidative burst intermediate hydrogen peroxide and inhibition of oxidative burst in reconstituted blood samples led to a significant increase of bacterial survival, even in the presence of high S. suis-specific antibody levels. The induction of ROS in granulocytes in response to S. suis was enhanced by specific antibodies and partially depended on the presence of functional complement. In the absence of IgG, IgM cleavage or complement inactivation both reduced the ROS production more than 3-fold and resulted in increased bacterial survival in accordance with an IgM-complement-oxidative burst axis. The mechanism of S. suis to introduce D-alanine into its LTAs increased the hydrophobicity of its surface, reduced opsonization with complement factor C3b, reduced phagocytosis by granulocytes in whole blood and association with monocytes and lymphocytes in isolated peripheral blood mononuclear cells. Nevertheless, in whole blood containing S. suis-specific antibodies, survival of the streptococci was not significantly increased by this cell wall modification, but levels of IL-1β induced by ΔdltA were significantly lower than those induced by the wt. High antibody levels caused a highly significant increase in the interaction of S. suis with monocytes in isolated PBMCs leading to an inflammatory cell death associated with the secretion of high levels of IL-1β and TNF-α. Conclusion Despite numerous described defense mechanisms of S. suis against oxidative stress, phagocytosis and ROS represent a very effective way of the porcine immune system to kill the invading streptococci. The induction of ROS by S. suis is highly dependent on the presence of specific antibodies and partially depends on active complement. The ability of S. suis to D-alanylate its LTAs changes surface properties of S. suis and provides protection from innate host defenses like antimicrobial peptides and the complement system, but does not help the bacteria to survive in the presence of specific immunoglobulins. It reduces the association with monocytes, in contradiction to a proposed “modified trojan horse theory”. The increased IL-1β production in response to S. suis, due to LTA D-alanylation, leads to the suggestion that this surface modification influences inflammatory processes is the host.:Contents 1 Introduction 2 Literature 2.1 Streptococcus suis 2.1.1 Characteristics and classification 2.1.2 Epidemiology and Pathology 2.1.3 Pathogenesis of S. suis infection 2.1.4 Cell wall modifications of S. suis 2.2 Selected aspects of the porcine blood immune system 2.2.1 Characteristics and components of porcine blood 2.2.2 Innate immunity 2.2.2.1 Cellular innate immunity in blood 2.2.2.2 Humoral innate immunity in blood 2.2.3 Adaptive immunity 2.2.3.1 Cellular adaptive immunity in blood 2.2.3.2 Humoral adaptive immunity in blood 2.3 Interaction of S. suis with the blood immune system 2.3.1 Immune evasion strategies against blood leukocytes 2.3.2 Complement evasion and S. suis cell wall modifications 3 Publications 3.1 Survival of Streptococcus suis in Porcine Blood Is Limited by the Antibody- and Complement-Dependent Oxidative Burst Response of Granulocytes 3.2 D-Alanylation of Lipoteichoic Acids in Streptococcus suis Reduces Association with Leukocytes in Porcine Blood 4 Discussion 4.1 Phagocytosis and oxidative burst in porcine blood 4.2 Interaction of S. suis with blood monocytes and lymphocytes 4.3 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 Presentations given during the development of this thesis