Suppression des allergischen Asthmas durch regulatorische T-Zellen: Mechanismen und potenzielle therapeutische Ansätze

Das allergische Asthma ist eine weit verbreitete, immunologische Erkrankung, deren Prävalenz in den vergangenen 20 Jahren vor allem in industrialisierten Regionen drastisch zugenommen hat. Trotz intensiver Forschung und Entwicklung medikamentöser Therapien steigt die Zahl der Patienten stetig an. Charakteristisch für diese Erkrankung sind entzündliche Veränderungen in der Lunge, erhöhte Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), Mukusproduktion und in chronischen Fällen auch Atemwegsobstruktion. Bei der Entstehung des allergischen Asthmas wird ein anfälliges Individuum durch die Inhalation eines normalerweise unschädlichen, in der Umwelt vorkommenden Antigens (Allergen) sensibilisiert, wodurch im Körper eine eigentlich unangebrachte Immunreaktion in Gang gesetzt wird. CD4+ T-Lymphozyten und ganz besonders die Subpopulationen der T-Helfer 1 (Th1) und Th2 Zellen spielen in dem Prozess eine zentrale Rolle. Obwohl ein Großteil der Asthmatiker mit einer Atemwegseosinophilie und erhöhter Expression der Th2-typischen Zytokine IL-4 und IL-13 ein Th2-typisches Krankheitsbild aufweisen, wurden weitere Asthmaphänotypen identifiziert. Vornehmlich in Patienten, die an schwerem Asthma leiden, sind dominierende Neutrophilie und erhöhte Mengen IFN-γ in den Atemwegen nachweisbar, was auf eine Th1-gesteuerte Immunreaktion hindeutet. Eine effektive, heilende Therapie des Asthmas wurde bislang nicht entwickelt. Die Inhibition der T-Zellantwort etwa durch Applikation allergenspezifischer, regulatorischer T-Zellen (Tregs) gilt als ein vielversprechender, aber nicht vollständig erforschter Ansatz zur Kontrolle der Krankheitssymptome. In diesem Zusammenhang wurden in der vorliegenden Arbeit die Mechanismen und Effekte natürlich vorkommender CD4+CD25+Foxp3+ regulatorischer T-Zellen (nTregs) auf eine Th1 bzw. Th2-induzierte allergische Atemwegserkrankung untersucht. Anhand eines adoptiven Zelltransfermodells unter Einsatz lymphozytendefizienter Rag2-/- Mäuse konnte gezeigt werden, dass sowohl Th1 als auch Th2 Zellen, kombiniert mit mehrfacher, inhalativer Allergenprovokation, eine erhöhte AHR induzieren. Während der Transfer allergenspezifischer Th2 Zellen eine Eosinophilie in der bronchoalveolären Lavage (BAL) und vermehrte Mukusproduktion in den Atemwegen hervorrief, war in Th1-transferierten Tieren zwar eine massive Infiltration neutrophiler Granulozyten zu beobachten, eine Becherzellmetaplasie mit vermehrten, mukusproduzierenden Atemwegsepithelzellen blieb allerdings aus. In vitro und in vivo waren voraktivierte nTregs (preTregs) nur eingeschränkt in der Lage, die Th2-gesteuerte Atemwegserkrankung zu inhibieren. Im Gegensatz dazu konnten die Th1-Effektorfunktionen in vitro und die Th1-induzierte AHR und Atemwegsentzündung in vivo durch preTregs effektiv gehemmt werden, was auf eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Th-Subpopulationen weist. Innerhalb der nTreg-vermittelten Suppression wird der sekundäre Botenstoff cAMP auf die zu supprimierende Zelle übertragen und führt zur Hemmung von Proliferation und Zytokinproduktion. Dass dieser Mechanismus nicht nur in vitro, sondern auch in der Suppression der Th2-gesteuerten allergischen Atemwegserkrankung eine Rolle spielt, konnte durch die Störung des intrazellulären cAMP-Abbaus mittels PDE4-Inhibitoren verdeutlicht werden. Sowohl die prophylaktische, als auch die therapeutische Applikation der PDE4-Inhibitoren verstärkte den regulativen Effekt der nTregs auf AHR und Entzündung, korrelierend mit erhöhten, zytosolischen cAMP-Konzentrationen in den Th2 Zellen der Lunge. Trotz des Fortschritts in der Isolation und In vitro-Expansion humaner nTregs ist die Ausbeute an Zellen äußerst limitiert und die Übertragbarkeit größerer Zellmengen nicht zuletzt aufgrund von hohem Kontaminationsrisiko während mehrtägiger In vitro-Expansion fragwürdig. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Behandlung mit dem PDE4-Inhibitor die suppressive Kapazität der allergenspezifischen nTregs deutlich erhöhte. Den nTreg-vermittelten Suppressionsmechanismus durch den Einsatz von Pharmazeutika zu unterstützen bietet einen viel versprechenden und realistischen Ansatz zur Therapie des allergischen Asthmas.

Over the past 20 years, prevalence and morbidity of allergic asthma have increased dramatically, especially in industrialized countries. Numbers of patients still increase despite of intensive research and the development of various medical therapies. Allergic asthma is characterized by chronic inflammation of the airways, airway hyperresponsiveness (AHR), mucus production, airway obstruction and airway remodeling in chronic disease. The inhalation of usually harmless antigens (aeroallergens) leads to an allergic sensitization of susceptible individuals inducing inappropriate immune responses against these aeroallergens. CD4+ T lymphocytes, especially T helper 1 (Th1) and Th2 cells play a key role during allergic sensitization. Most asthmatic patients display a Th2-derived inflammatory phenotype by airway eosinophilia and increased expressions of the Th2 cytokines IL-4 and IL-13. However, in the recent years clinically different phenotypes of asthma were identified. Airway neutrophilia and increased expression of IFN-γ have been reported in patients with severe asthma, indicating a Th1-driven immune response. To date, curative asthma therapies have not been developed. The inhibition of inflammatory T cell responses by application of allergen-specific regulatory T cells (Tregs) is seen as a promising but poorly defined approach to control allergic airway diseases. In this thesis mechanisms and effects of naturally occurring CD4+CD25+Foxp3+ regulatory T cells (nTregs) on Th1 and Th2-induced allergic airway disease were analyzed. In a mouse model of allergic airway disease using lymphocyte-deficient Rag2-/- mice it was shown that the adoptive transfer of Th1 as well as Th2 cells induced increased AHR after inhalative allergen exposure. The transfer of allergen-specific Th2 cells resulted in eosinophilic accumulation in bronchoalveolar lavage (BAL) and increased mucus production. Infiltration of neutrophils but no goblet cell metaplasia was detected in Th1-transferred mice. In vitro and in vivo the additional transfer of allergen-specific pre-activated nTregs (preTregs) did not significantly inhibit Th2-based airway disease. In contrast, Th1 effector functions and Th1-induced AHR and airway inflammation were effectively suppressed by preTregs, suggesting a different susceptibility of the Th subtypes concerning nTreg-mediated suppression. The mechanism of nTreg-based suppression includes a cell-contact dependent transfer of the second messenger molecule 3’-5’-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) to Teffector cells mediating the inhibition of cell proliferation and cytokine production. To demonstrate that this mechanism is also true for the suppression of a Th2-induced allergic airway disease in vivo, phosphodiesterase 4 (PDE4)-inhibitors were used to block intracellular cAMP degradation. Prophylactic and therapeutic treatment with PDE4-inhibitors enhanced the suppressive effect of nTregs on AHR and airway inflammation. These findings correlated with increased levels of intracellular cAMP in the Th2 cells of the lungs. The application of ex vivo generated or modified human nTregs to patients with allergic asthma may exhibit insuperable problems. The isolation of nTregs is highly limited as their fraction in the peripheral blood is very small and the fact that the cells have to be expanded ex vivo before transfer marks accessory risks since the possibility of concurrently expanding autoreactive T effector cells or the introduction of transforming viruses during culture is present. The results of this thesis indicate that the treatment with PDE4-inhibitors clearly augmented the suppressive capacity of allergen-specific nTregs. Thus, the selective pharmaceutical improvement of the suppressive potency of nTregs is a promising intervention strategy to suppress immune responses unwanted in allergic asthma.