Hintergrund: Der medizinische Fortschritt der letzten Jahrzehnte verbessert das Überleben insbesondere extrem kleiner Frühgeborener. Bei diesen stellt die adäquate Oxygenierung über die unreife Lunge den kritischsten Prozess in der klinischen Betreuung dar, an dessen Ende häufig eine Beeinträchtigung der postnatalen Lungenentwicklung und -reifung steht. Klinisch als Bronchopulmonale Dysplasie (BPD) imponierend, stellt diese Erkrankung die häufigste Folge der extremen Frühgeburtlichkeit dar und ist im weiteren Verlauf mit einer bedeutenden Langzeitmortalität und gesundheitsökonomischen Belastung verbunden. Außer der Vermeidung der Frühgeburtlichkeit existiert keine Therapie für BPD. Exogene Mesenchymale Stromazellen (MSC) erwiesen sich jedoch in Tiermodellen der BPD als therapeutisch ausgesprochen wirksam und stellen somit einen vielversprechenden Therapieansatz dar. Dennoch ist wenig über die Mechanismen der exogenen MSC-Wirkung in der frühgeborenen Lunge bekannt; ein Verständnis dieser ist jedoch unabdingbar für eine sichere und effektive Translation von MSC-basierten Therapien in die klinische Anwendung. Hypothese: Lungenresidente MSC sind an der normalen Lungenentwicklung beteiligt, werden durch Bedingungen, welche die zu frühe Geburt simulieren, beeinträchtigt, und tragen so zur Pathogenese der BPD bei. Exogene MSC unterstützen die lungenresidenten MSC in ihrer normalen Funktion und/oder schützen sie vor Schaden. Methoden und Resultate: Um mesenchymale Zellen aus human-fetalem Lungengewebe (FLMSC) zu isolieren, wurde eine Methode zur enzymatischen Gewebedissoziation mit anschließender selektiver Dichtegradientenzentrifugation entwickelt. Der überwiegende Mehrheit der isolierten Lungenmesenchymzellen wurde als MSC identifiziert. Damit ist mit der hier vorliegenden Arbeit erstmals die vollständige Beschreibung von humanen, fetalen Lungen-MSC gelungen. Nabelschnur (UC)MSC wurden durch enzymatischen Verdau der Wharton-Sulze gewonnen. Kultur der FLMSC in einer hypoxischen, den intrauterinen Bedingungen ähnlichen Atmosphäre resultierte in einem das Lungenwachstum stimulierenden Cytokin- und Genexpressionsmuster. Zudem produzierten die FLMSC für Lungenwachstum und -reifung unabdingbare Extrazellulärmatrixproteine. Unter Exposition gegenüber hyperoxischen Kulturbedingungen – welche die zu frühe Geburt mit anschließender Behandlung auf einer Neugeborenenintensivstation simulierten – begannen FLMSC einen Transdifferenzierungsprozess und sezernierten proinflammatorische und antiangiogene Signalmoleküle. Zudem wurde eine Reduktion der Produktion von für die Lungenentwicklung unabdingbaren Matrixproteinen beobachtet. FLMSC sendeten zudem “Danger-Signale” an andere Zellen, sobald sie Hyperoxie ausgesetzt wurden. Exogene UCMSC sezernierten in vitro große Mengen an Proteinen, welche Lungenzellen vor Schaden schützen und Lungenwachstum und -differenzierung unterstützen. Diskussion und Schlussfolgerung: Das Mesenchym der humanen fetalen Lunge am Ende der kanalikulären Entwicklungsphase besteht zum Großteil aus MSC, und nicht Fibroblasten. Das impliziert eine mesenchymale Stamm- und Progenitorzellhierarchie in der fetalen Lunge sowie bislang unbeschriebene zelluläre mesenchymale Transdifferenzierungsprozesse im weiteren intrauterinen Entwicklungsverlauf. In vitro wurde Evidenz für eine Beteiligung der endogenen Lungen-MSC an der normalen Lungenentwicklung generiert; eine Beteiligung an der Koordination von epithelialem und endothelialem Lungenwachstum und -reifung durch die endogenen MSC kann auf Grund der vorliegenden Daten angenommen werden. Nach Exposition gegenüber Hyperoxie entwickelten FLMSC einen die BPD unterstützenden Phänotyp. Exogene UCMSC besitzen das Potential, die in diesem Zustand fehlenden Faktoren bereitzustellen. Endogene pulmonale MSC sind daher potentielles Ziel und potentielle Effektorzellpopulation einer MSC-basierten Therapie für BPD. Dennoch sind weitere in vivo Experimente mit Tiermodellen der extremen Frühgeburtlichkeit unabdingbar, um die Rolle der endogenen MSC in der normalen, und insbesondere gestörten Lungenentwicklung zu verstehen und folgend potente, und vor allem sichere zellbasierte Therapeutika für unsere wohl verletzlichste Patientenpopulation – Frühgeborene – bereitzustellen. / Background: Despite great achievements in neonatal and perinatal medicine over the past decades, the immature lung remains the most critical organ to care for after premature birth. As a consequence, impairment of of postnatal lung development – bronchopulmonary dysplasia or BPD – remains the most common complication of extreme prematurity and a major healthcare burden. There is no therapy for BPD, except prevention of premature birth. Recently, exogenous mesenchymal stromal cells (MSC) have been shown to prevent and rescue impaired lung development in animal models. Understanding the mechanisms behind the beneficial action of these cells is crucial for a successful, safe, and effective clinical translation of these promising MSC-based cell therapies in neonates. Hypothesis: Endogenous lung-resident MSC contribute to normal lung development and become impaired in conditions resembling premature birth, thus playing a part in the pathogenesis of BPD. Exogenous MSC act by supporting and/or preserving the endogenous mesenchymal cell’s function. Methods and Results: Using lung tissue from aborted fetuses, a novel enzyme/density gradient technique was employed to obtain endogenous human fetal lung mesenchymal cells (FLMSC). The vast majority of the so-isolated cells fulfilled all criteria of MSC, making the herein presented work the first complete description of MSC from human fetal lung tissue. Human umbilical cord-derived (UC)MSC were isolated by enzymatic digestion of the Wharton’s jelly. When cultured in hypoxic atmospheres resembling intrauterine conditions, resident FLMSC exerted a gene expression- and cytokine profile supporting epithelial and endothelial lung development, and secreted extracellular matrix components crucial for normal lung growth. After exposure to hyperoxia – thus mimicking premature birth and subsequent treatment on a neonatal intensive care unit – FLMSC showed signs of transdifferentiation, acquired a pro-inflammatory / anti-angiogeneitic secretory profile, diminished production of crucial extracellular matrix components and send out danger signals to other cells. Conversely, UCMSC secreted various paracrine factors protecting lung cells, and proteins contributing to lung growth and alveolarization. Discussion and Conclusions: The human fetal lung’s mesenchyme at the late canalicular stage of development mainly consists of MSC rather than fibroblasts, thus implying a complex mesenchymal stem-/progenitor cell hierarchy and previously undescribed cellular transdifferentiation processes of human endogenous lung mesenchymal progenitors during late pregnancy. Evidence for a contribution of FLMSC to normal lung development was generated in vitro, suggesting a co-ordination of endothelial and epithelial cell fate by human endogenous lung MSC. When challenged with hyperoxia, FLMSC cells acquire a phenotype contributing to the pathogenesis of the BPD. Conversely, UCMSC harbor the potential to provide the factors that these damaged resident MSC lack to produce. The endogenous MSC may therefore represent a potential target of cell-based therapies of BPD. However, in vivo data obtained from premature animals is inevitable to gain further insights into the contribution of endogenous lung MSC to normal and disrupted lung development and to clinically translate potent and safe MSC-based therapeutics for our most vulnerable patient population - premature infants.

Mesenchymale Stromazellen (MSC) unterstützen die endogene Geweberegeneration und sind kaum immunogen. Die Mechanismen der Immunmodulation sind kaum bekannt. Diese Arbeit untersucht, ob MSC in die Interaktion von Dendritischen Zellen (DC), Natürlichen Killer (NK) und T Zellen eingreifen, indem sie die DC-Reifung beeinflussen. Das Netzwerk ist wichtig für die Differenzierung naïver T Zellen zu Typ 1 T Helferzellen (Th1). Abhängig vom DC-Subtyp und dem Zeitpunkt des Aufeinandertreffens, beeinflussten Knochenmark-MSC (BM-MSC) die in vitro DC-Reifung verschieden. Sie inhibierten die Differenzierung, aber nicht die Reifung humaner von Monozyten-abgeleiteter DC (moDC). BM MSC hatten keinen klaren Einfluss auf die Reifung plasmazytoider DC (pDC), während sie in aktivierten CD1c+ myeloiden DC (mDC) einen tolerogenen Phänotyp induzierten, charakterisiert durch eine geringere CCR7-abhängige Migration und ein tolerogenes Zytokinprofil. Daraus resultierend, wiesen BM-MSC-geprägte mDC aufgrund der veränderten IL 12/IL 10 Sekretion eine geringere Fähigkeit zur Stimulation der IFNγ Produktion in NK Zellen auf und induzierten weniger Th1 Differenzierung naïver T Zellen. Placenta-derived mesenchymal-like adherent stromal cells (PLX PAD) erzielten ähnliche Ergebnisse. Es konnte keine Alloimmunogenität in Patienten mit kritischer Ischämie der Extremitäten (CLI), die im Rahmen einer Phase I klinischen Studie allogene PLX PAD erhalten hatten, nachgewiesen werden. Keiner der Patienten entwickelte eine signifikante Gedächtnis T Zellantwort spezifisch für das Zellprodukt, was durch unsere in vitro Beobachtungen erklärbar sein könnte. Es ist schwierig MSC im Gewebe nachzuweisen, da Markerkombinationen notwendig sind. CD73+CD90+CD105+CD45-CD34-CD14-CD19- MSC konnten mithilfe einer neuen Multiplex-Immunhistologie-Technik (Chipzytometrie) in humanen Plazentaschnitten detektiert werden. Für die Zukunft könnte damit die Interaktion injizierter MSC mit Immunzellen in Biopsien untersucht werden. / Mesenchymal stromal cells (MSC) support endogenous tissue regeneration and seem to be low immunogenic, allowing application across MHC barriers. But little is known about the mechanisms for their immunomodulation. Hence, the main goal of this study was to understand if MSC interfere with the crosstalk between dendritic cells (DC), natural killer (NK) and T cells by influencing DC maturation. This network is important for efficient priming of naïve T cells into type 1 helper T cells (Th1). Bone marrow-derived MSC (BM-MSC) had diverse effects on DC maturation in vitro, depending on the DC subset and the time of interaction. BM MSC inhibited differentiation but not maturation of monocyte-derived DC (moDC). They did not have a clear effect on maturation of plasmacytoid DC (pDC), whereas they induced a tolerogenic phenotype in activated CD1c+ myeloid DC (mDC), characterized by an impaired CCR7-dependent migration and a tolerogenic cytokine profile. Consequently, BM-MSC-licensed mDC displayed a reduced ability to induce IFNγ production in NK cells due to their altered IL 12/IL 10 secretion. BM MSC-licensed mDC also induced less efficiently Th1 lineage commitment of naïve T cells. Similar results were observed with placenta-derived mesenchymal-like adherent stromal cells (PLX PAD). Samples from critical limb ischemia (CLI) patients treated with MHC-unmatched PLX-PAD within a phase I clinical trial were analysed for alloimmunogenicity. None of the patients developed a significant memory T cell response specific to the allogeneic cells, which might be explainable by our in vitro observations. MSC are difficult to detect in tissues because a set of lineage markers is needed. Here, CD73+CD90+CD105+CD45-CD34-CD14-CD19- MSC could be identified in human placenta cryosections using a novel multiplex-immunohistology technique (chipcytometry), offering the possibility to investigate the crosstalk between injected MSC and attracted immune cells in patient biopsies in the future.