The surface of biomaterials can induce contacting blood to coagulate, similar to the response initiated by injured blood vessels to control blood loss. This poses a challenge to the use of biomaterials as the resulting coagulation can impair the performance of hemocompatible devices such as catheters, vascular stents and various extracorporeal tubings [1], what can moreover cause severe host reactions like embolism and infarction. Biomaterial induced coagulation processes limit the therapeutic use of medical products, what motivates the need for a better understanding of the basic mechanisms leading to this bio-incompatibility [2] in order to define modification strategies towards improved biomaterials [3]. Several approaches for the enhancement of hemocompatible surfaces include passive and active strategies for surface modifications. The materials’ chemical-physical properties like surface chemistry, wettability and polarity are parameters of passive modification approaches for improved hemocompatibility and are the focus of the present work. In the present study self assembled monolayers with different surface functionalities (-COOH, -OH, -CH3) were applied as well as two-component-layers with varying fractions of these, as they allow a defined graduation of surface wettability and charge. The ease of control over these parameters given by these model surfaces enables the evaluation of the influence of specific surface-properties on biological responses. To evaluate the effects of different surface chemistry on initial mechanisms of biomaterial induced coagulation, the surfaces were incubated with protein solution, human plasma, blood cell fractions or fresh heparinised human whole blood. Indicative hemocompatibility parameters were subsequently analysed focusing on protein adsorption, coagulation activation, contact activation (intrinsic/ enhancer pathway), impact of tissue factor (extrinsic/ activator pathway) and cellular systems (blood platelets and leukocytes).

Im ersten Teil dieser Dissertation wurde der Einfluss des mitochondrialen Proteins TCAIM (T cell activation inhibitor, mitochondrial) auf die T-Zellaktivierung untersucht. Hierzu wurde eine transgene Mauslinie mit einem T-zellspezifischen knock-in (KI) von Tcaim in den Rosa26 Lokus generiert. Die Tcaim-Überexpression beeinflusste die Fission und Umverteilung von Mitochondrien und reduzierte die T-Zellrezeptor (TZR)-induzierte Bildung mitochondrialer, radikaler Sauerstoffspezies. In vitro stimulierte CD4+ Tcaim KI T-Zellen zeigten eine geringere Aktivierung, Proliferation und IL-2 Sekretion als Kontrollzellen. T-Zellen aus Tcaim KI Mäusen, die in Rag-1 knock-out Mäuse transferiert wurden, waren nicht fähig ein allogenes Haut-Transplantat abzustoßen und behielten einen naiven Phänotyp. Diese Ergebnisse zeigen, dass TCAIM als mitochondriales Protein wichtige Schritte in der Zellaktivierung und der Bildung von Gedächtnis-T-Zellen beeinflusst. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigte sich mit dem Einfluss der CD44-Oberflächenexpression auf die Differenzierung von T-Helfer (TH)-Zellen. Eine hohe CD44-Expression unterscheidet Effektor- von naiven T-Zellen. Durch die allogene Stimulation von CD4+ T-Zellen bildeten sich drei verschiedene Populationen: CD44+, CD44++ und CD44+++. Sowohl in vitro als auch in vivo generierte alloreaktive TH17-Zellen wurden in der CD44+++ Population, TH1-Zellen hingegen in der CD44++ Population, detektiert. Es wurde beschrieben, dass sowohl eine geringe TZR- als auch eine geringe CD28-Stimulation eher die Bildung von TH17- als TH1-Zellen unterstützen. Unter genau diesen Bedingungen kann CD44 als kostimulatorisches Molekül die Signaltransduktion verstärken. Tatsächlich zeigten allogenreaktive CD44+++ TH-Zellen eine höhere ZAP-70-Phosphorylierung als CD44++ TH-Zellen. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass CD44 durch die Verstärkung der Signaltransduktion die TH17-Differenzierung fördern kann. / Within the first part of this thesis, the influence of the mitochondrial Protein TCAIM (T cell activation inhibitor, mitochondrial) on T cell activation was investigated. Tcaim expression correlated negatively with the rejection of allografts and it is down-regulated during T cell activation. To study effects of TCAIM during T cell activation, we generated a T cell-specific mouse strain with a Tcaim knock-in (KI) targeted to the Rosa26 locus. Tcaim overexpression changed the mitochondrial morphology and reduced the T cell receptor (TCR)-induced mitochondrial reactive oxygen species production. In vitro activation of Tcaim KI CD4+ T cells resulted in a decreased activation, proliferation and cytokine release. Importantly, Rag-1 knock-out mice, reconstituted with Tcaim KI T cells, tolerated allogeneic skin grafts. Thus, by regulating TCR-induced mitochondrial distribution and ROS production, TCAIM controls important steps during T cell activation and memory formation. The second part dealt with the influence of CD44 surface expression level for T helper cell (Th cell) differentiation. By association with lymphocyte-specific protein kinase (LCK) it can enhance T cell signaling. Allogeneic stimulation of CD4+ T cells resulted in the formation of three distinguishable populations: CD44+, CD44++ and CD44+++. In vitro and in vivo generated allo-reactive TH17 cells were mainly CD44+++. This is in contrast to TH1 cells which were dominantly CD44++. Titration experiments revealed that low TCR- and co-stimulation supports TH17 rather than TH1 development. Under exactly these conditions it was reported that CD44 can act as co-stimulatory molecule and replace CD28. Indeed, CD44+++CD4+ T cells contained already more phosphorylated ZAP-70 as compared to CD44++ cells. Our results support the notion that CD44 enhances TCR signaling strength by delivering LCK, which is required to support TH17 development.

Die initialen immunologischen Prozesse, die zur Entwicklung autoimmuner Lebererkrankungen führen, sind weitgehend unbekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Antigenpräsentation, die Migration sowie der Phänotyp in vivo aktivierter CD8 T-Zellen in der Leber anhand eines Mausmodells der autoimmunen Hepatitis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hepatische dendritische Zellen an der Entstehung von CD8 Effektor-T-Zellen und an der Inflammation der Leber beteiligt sind. Kupffer-Zellen dagegen nehmen im autoimmunen Kontext in der Leber eine tolerogene Funktion ein. Die in vivo in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen zeigten spezifische Oberflächenmarker und ein ungewöhnliches Migrationsverhalten. So wurde zum einen mit Neuropilin-1 ein weitgehend unbekannter Oberflächenmarker identifiziert, zum anderen spricht die Expression von bekannten Markern, die den Aktivierungsstatus der CD8 T-Zellen definieren, für einen hybriden Phänotyp. Sie besitzen sowohl Charakteristika von naiven CD8 T-Zellen als auch von Effektorzellen, eine Eigenschaft, die auch bei zentralen Gedächtniszellen gefunden wird. In der Leber aktivierte CD8 T-Zellen können nicht nur proinflammatorische Zytokine ausschütten und somit eine Inflammation in der Leber auslösen, sondern sind außerdem in der Lage durch Lymphknoten zu zirkulieren. Dagegen ist ihnen der Zugang zum Darm verwehrt, womit eine direkte regulatorische Funktion im Darm ausgeschlossen werden kann. Obwohl auf in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen spezifische Adhäsionsmoleküle identifiziert wurden, existiert keine exklusive gewebespezifische Migration in die Leber, wie sie etwa für im Darm aktivierte CD8 T-Zellen nachgewiesen wurde. Im darmassoziierten lymphatischen Gewebe aktivierte CD8 T-Zellen akkumulieren in der Leber und tragen möglicherweise zur Schädigung der Leber im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bei. Diese Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung autoimmuner Prozesse in der Leber bei. / Initial immunological processes leading to autoimmune liver diseases are largely unknown. Therefore this thesis analyzed the antigen presentation, the migration as well as the phenotype of in vivo activated CD8 T cells in the liver by employing a mouse model for autoimmune hepatitis. It was shown that hepatic dendritic cells are effective antigen-presenting cells, which contribute to the induction of functional effector CD8 T cells in the liver and hepatitis. In contrast, Kupffer cells have a tolerogenic role during autoimmune processes in the liver. CD8 T cells that were in vivo activated in the liver display specific surface markers and unusual migration patterns. On the one hand an unusual surface molecule Neuropilin-1 was identified, on the other hand expression of well-known markers defining the activation-status of CD8 T cells suggests a hybrid phenotype. They reflect aspects of naive and effector T cells, characteristics also found on central memory T cells. Liver-primed CD8 T cells do not only produce pro-inflammatory cytokines leading to hepatitis, but they also retain their ability to circulate through lymph nodes. However, they have no access to the gut, which suggests that a direct regulatory function in the gut can be excluded. Although specific adhesion molecules on CD8 T cells activated in the liver were identified, no exclusive tissue-specific migration into the liver exists, as was shown for CD8 T cells primed in the gut. CD8 T cells activated in the gut-associated lymphoid tissue accumulate in the liver, in principle enabling them to induce liver pathology in the context of inflammatory bowel disease. Thus, the here described findings contribute to the understanding of initial immunological processes in autoimmune liver diseases.

Das Ergebnis einer T-Zellmediierten Immunantwort ist von der Signalvermittlung durch kostimulatorische Moleküle abhängig. Diese kostimulatorischen Moleküle sind - neben dem spezifischen Antigen - notwendig für eine vollständige T-Zellaktivierung, die es der T-Zelle erlaubt zu proliferieren, neue Oberflächenantigene zu exprimieren und Zytokine zu sezernieren. Ohne das kostimulatorische Signal wird die T-Zelle anerg oder sogar apoptotisch, eine effektive Immunantwort ist dann nicht möglich. Die vorliegende Dissertationsschrift enthält die initiale Beschreibung eines neuen kostimulatorischen Moleküls, eine umfangreiche Charakterisierung seiner Expression in vitro, sowie seiner Funktion. Das Molekül "ICOS" (ICOS steht für inducible costimulator) ist ein T-Zellspezifisches Molekül und weist eine große Homologie zu dem Prototyp eines kostimulatorischen Moleküls, dem CD28 Molekül auf. Die Experimente, die zur Charakterisierung der Induktionsbedingungen des ICOS Moleküls durchgeführt wurden, zeigen, daß die Expression des ICOS Moleküls sehr schnell nach T-Zellaktivierung induziert wird, die Expressionsstärke innerhalb von Stunden stark heraufreguliert wird und die Expression lange (mindestens 96h) auf der T-Zelloberfläche zu detektieren ist. Ein Vergleich mit anderen aktivierungsabhängigen T-Zelloberflächenmolekülen zeigt eine ICOS-spezifische Zeitkinetik der Expression, die durch verschiedene T-Zellstimuli zu induzieren ist. Eine optimale Expression des Moleküls ist zwei-signalabhängig und durch Cyclosporin A blockierbar. Bezüglich der Funktion von ICOS wurde die Wirkung der Kostimulation via ICOS auf eine Reihe von kritischen Parametern der T-Zellaktivierung analysiert. Durch die Kostimulation mit einem ICOS-spezifischen Antikörper wird konzentrationsabhängig die T-Zellproliferation induziert, unabhängig davon, ob das ersten Signal via CD3 oder via einen löslichen Stimulus, wie PHA erfolgte. Die ICOS Kostimulation bewirkt die Hochregulation von typischen T-Zellaktivierungsantigenen und sie induziert oder verstärkt die Sekretion zahlreicher Lymphokine. Die verstärkende Wirkung auf alle diese Parameter der T-Zellaktivierung führt schließlich dazu, daß die über ICOS kostimulierten Zellen in der Lage sind T-Zellhilfe für B-Zellen zu leisten, so daß diese Immunglobuline sezernieren. Wurde versucht, die direkte Interaktion des ICOS Moleküls mit seinem potentiellen Liganden bei der T-Zellinduzierten Immunglobulinsekretion durch den mAk F44 zu blockieren, so zeigte sich kein Effekt. Bei Langzeitkostimulation via ICOS zeigte sich allerdings, daß die Kostimulation durch das ICOS Molekül auch in der Lage ist, die T-Zellaktivierung negativ zu beeinflussen: Die Langzeitstimulation via ICOS erzeugt eine deutliche Proliferationsdepression und einen Viabilitätsverlust der T-Zellen. Insgesamt lassen diese Ergebnisse den vorsichtigen Schluß zu, daß das ICOS Molekül eine wichtige Rolle an der Schnittstelle zwischen Expansion und Effektorfunktion einerseits und Depression der T-Zellen andererseits spielt. / The outcome of T-cell resonses after T-cell encounter with specific antigens is modulated by co-stimulatory signals, which are required for both lymphocyte activation and development of adaptive immunity. Here I report the initial characterization of a novel co-stimulatory molecule which enhances all basic T-cell functions and displays a unique induction and expression pattern. ICOS (for inducible co-stimulator) is a T-cellspecific activation antigen with high homology to CD28, the prototype of a co-stimulatory molecule. Analysis of induction requirements for ICOS expression revealed a two-signal dependency and cyclosporine A sensitivity. ICOS' expression kinetics are unique when compared with other early T-cell activation antigens. ICOS is induced very quickly on the T-cell surface and is rapidly upregulated following T-cell activation. The surface expression of ICOS is surprisingly prolonged - lasting at least 96 hours - considering its rapid induction kinetics. Stimulation via an ICOS-specific monoclonal antibody enhances all basic T-cell functions such as proliferation, upregulation of molecules that medicate cell-cell interaction, secretion of lymphokines and effective help for antibody secreting B-cells. Costimulation via ICOS is effective regardless of the route of action of the first signal (immobilized or soluble). Blockade of the ICOS interaction with its presumed ligand on B-cells does not inhibit immunoglobulin production by these B-cells, though. Finally long-term stimulation experiments reveal a possible negative role for ICOS in regulating T-cell responses. These results indicate that ICOS is a major regulator of the adaptive immune system determining the healthy balance of negative and positive signaling during T-cell activation and differentiation.

The surface of biomaterials can induce contacting blood to coagulate, similar to the response initiated by injured blood vessels to control blood loss. This poses a challenge to the use of biomaterials as the resulting coagulation can impair the performance of hemocompatible devices such as catheters, vascular stents and various extracorporeal tubings [1], what can moreover cause severe host reactions like embolism and infarction. Biomaterial induced coagulation processes limit the therapeutic use of medical products, what motivates the need for a better understanding of the basic mechanisms leading to this bio-incompatibility [2] in order to define modification strategies towards improved biomaterials [3]. Several approaches for the enhancement of hemocompatible surfaces include passive and active strategies for surface modifications. The materials’ chemical-physical properties like surface chemistry, wettability and polarity are parameters of passive modification approaches for improved hemocompatibility and are the focus of the present work. In the present study self assembled monolayers with different surface functionalities (-COOH, -OH, -CH3) were applied as well as two-component-layers with varying fractions of these, as they allow a defined graduation of surface wettability and charge. The ease of control over these parameters given by these model surfaces enables the evaluation of the influence of specific surface-properties on biological responses. To evaluate the effects of different surface chemistry on initial mechanisms of biomaterial induced coagulation, the surfaces were incubated with protein solution, human plasma, blood cell fractions or fresh heparinised human whole blood. Indicative hemocompatibility parameters were subsequently analysed focusing on protein adsorption, coagulation activation, contact activation (intrinsic/ enhancer pathway), impact of tissue factor (extrinsic/ activator pathway) and cellular systems (blood platelets and leukocytes).

Die Fähigkeit dendritischer Zellen (DC) Immunität zu erzeugen und Antigen-spezifische Toleranz zu induzieren macht DC zu idealen Zielen pharmakologischer Interventionen zur Beeinflussung von Immunreaktionen. NF-kappaB Faktoren sind eine Gruppe von Transkriptionsregulatoren, die für die Entwicklung und Funktion von DC bedeutend sind. Trotz ihrer zentralen Bedeutung für die DC Biologie ist die Identität von NF-kappaB regulierten Genen in DC weitestgehend unbekannt. In der vorliegenden Studie wurde die Hemmung der NF-kappaB Aktivierung durch den IkappaBalpha Super Repressor (IkappaBalpha-SR) und die Analyse der Genexpression durch DNA Microarrays genutzt, um das Repertoire an NF-kappaB regulierten Genen in DC zu ermitteln. Mit diesem Ansatz wurden unter anderem Connexin-43 und Fascin als direkte NF-kappaB regulierte Gene identifiziert. Die Beeinflussung des NF-kappaB Signalwegs wurde als möglicher Weg zur Modifizierung von Immunantworten vorgeschlagen. Es wird vermutet, dass verschiedene immunmoduloratorische Verbindungen wie z.B. Vitamin D3 (VD3) in NF-kappaB vermittelte Immunmechanismen eingreifen. Um die Effekte von VD3 in der Aktivierung von DC zu untersuchen, wurden DNA Microarray Analysen an DC von Mäusen mit mutiertem und wildtyp Vitamin D3 Rezeptor (VDR) durchgeführt und die Beteiligung der VDR vermittelten Repression von NF-kappaB regulierten Genen wie z.B. Connexin-43 untersucht. Die so identifizierten Gene stellen potentielle Ansatzpunkte für die Entwicklung von spezifischeren entzündungshemmenden Medikamenten für die klinische Anwendung dar. / The ability of dendritic cells (DC) to initiate immunity and induce antigen-specific tolerance makes DC ideal targets for pharmacological intervention into immune responses. NF-kappaB factors are a family of transcriptional regulators important for DC development and function. However, the identity of NF-kappaB target genes that are central to DC biology is largely unknown. In the present study, inhibition of the NF-kappaB activation by the IkappaBalpha super repressor (IkappaBalpha-SR) and DNA microarray analysis were used to determine the repertoire of NF-kappaB responsive genes in DC. This approach identified, among others, connexin-43 and fascin as direct NF-kappaB regulated genes. The targeting of the NF-kappaB signalling pathway has been suggested as a useful means to modify immune responses. A number of immunomodulatory compounds, such as vitamin D3 (VD3), are believed to affect NF-kappaB mediated immune mechanisms. Microarray analysis employing vitamin D3 receptor (VDR) mutant and wild-type mice was used to survey the effects of VD3 in DC. In this study, effects of VD3 on the activation of DC are evaluated, and involvement of VDR mediated repression of NF-?B regulated genes, such as connexin-43, is surveyed. Identified genes can be potentially useful targets for the development of more specific anti-inflammatory agents for clinical applications.