Flagellin:allergen fusion proteins as novel vaccines for the treatment of severe type I allergies

Over the last decades the prevalence of food allergies has continually increased on a world wide scale. While there are effective treatments available for bee and wasp venom allergic patients, there is currently no established therapy for the treatment of severe food allergies. Aim of the project was to genetically fuse different food allergens with the immune modulating Toll-like receptor 5 (TLR5)-ligand flagellin and to test these constructs for their immune modulatory capacities both in vitro and in vivo. Chicken ovalbumin (Ova) as model antigen, Pru p 3, and Ara h 2 the respective major allergens from peach and peanut were used as allergens. The potential vaccine candidates were characterized by protein biochemical methods (purity, folding, endotoxin contaminations). Moreover, their immune modulating effects on cell culture lines (TLR5-receptor activation) and primary mouse immune cells (myeloid and plasmacytoid dendritic cells) were investigated. Additionally, the prophylactic and therapeutic use of the flagellin Ova fusion protein (rflaA:Ova) were investigated in a mouse model of intestinal allergy. In myeloid dendritic cells (mDC) stimulation with the fusion proteins led to a strong cell activation and cytokine secretion. Here, the fusion proteins proved to be a much stronger stimulus than the equimolar amount of both proteins provided alone or as a mixture. Noteworthy, stimulation with rflaA:Ova induced the secretion of the anti-inflammatory cytokine IL-10 from mDC. In co-culture experiments this IL-10 secretion suppressed the Ova-induced secretion of Th1 and Th2 cytokines from Ova-specific CD4 T cells. Using MyD88-deficient mDC this repression of cytokine secretion was shown to be TLR-dependent. Finally, the potency of the rflaA:Ova construct was investigated in a mouse model of Ova-induced intestinal allergy. In a prophylactic vaccination approach rflaA:Ova was shown to prevent the establishment of the intestinal allergy and all associated symptoms (weight loss, temperature drop, soft faeces). This fusion protein-mediated protection was accompanied by a reduced T cell activation, and reduced Th2 cytokines in intestinal homogenates. These effects were paralleled by a strong induction of Ova-specific IgG2a antibodies in rflaA:Ova-vaccinated sera, while Ova-specific IgE antibody production was significantly reduced. Therapeutic vaccination with rflaA:Ova reduced allergic symptoms and T cell activation but did not influence weight loss and antibody production. In all in vivo experiments vaccination with both proteins either provided alone or as a mixture did not have comparable effects. Future experiments aim at elucidating the mechanism and further optimization of the therapeutic vaccination approach. The results presented in this thesis demonstrate, that fusion proteins containing flagellin have strong immune modulatory capacities both in vitro and in vivo. Therefore, such constructs are promising vaccine candidates for the therapy of type I allergies.

Immunologische Effekte von nativen Allergenen im Vergleich zu modifizierten Allergenen

Die Prävalenz allergischer Erkrankungen ist in den letzten Jahrzehnten, insbesondere in den Industriestaaten, stetig angestiegen und schreitet weiterhin fort. Die einzige kausale Therapie, die eine Langzeitwirkung verspricht und der Entwicklung neuer Allergien bzw. dem Fortschreiten der Allergie vorbeugen kann, ist die spezifische Immuntherapie (SIT). Da bei der SIT mit natürlichen Allergenextrakten Nebenwirkungen auftreten können, ist es wichtig Alternativen für diese zu finden. In der vorliegenden Arbeit wurden native Allergene mit modifizierten Allergenen hinsichtlich ihrer Allergenität und Immunogenität verglichen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Glutaraldehyd-modifizierte Allergoide im Vergleich zu nativen Allergenextrakten und Formaldehyd-Allergoiden eine verminderte Allergenität besitzen, was sich z.B. durch den verminderten Release der Allergiemediatoren, den Leukotrienen, durch Basophile allergischer Spender zeigte. Gleichzeitig war allerdings die Fähigkeit Glutaraldehyd-Allergoid-behandelter dendritischer Zellen (DC) autologe CD4+ T-Zellen zu stimulieren stark reduziert. Verglichen mit den nativen Allergenextrakten und den Formaldehyd-Allergoiden waren die Zytokinproduktion und die T-Zellproliferation, für letztere signifikant, vermindert. Damit übereinstimmend war die Aufnahme von Fluoreszenz-markierten Glutaraldehyd-Allergoiden in unreife DC reduziert. Daraus lässt sich schießen, dass die Modifizierung mit Glutaraldehyd, jedoch nicht mit Formaldehyd, zumindest bei den hier verwendeten Allergenpräparaten, B-Zell-Epitope zerstört und somit die Allergenität herabgesetzt wurde. Allerdings war dabei gleichzeitig die Immunogenität vermindert. Das verminderte Vorkommen der B-Zell-Epitope wäre beim Einsatz der Allergoide von Vorteil, da damit eine verminderte IgE-Bindekapazität einhergeht und unerwünschte Nebenwirkungen reduziert werden können. Jedoch sollte im günstigsten Fall bei der Allergoidisierung die T-Zell-Stimulationsfähigkeit intakt bleiben, was bei den hier verwendeten Glutaraldehyd-modifizierten Allergoiden nicht der Fall war. rnMit Einzelallergenen aus Birken- und Gräserpollen konnten keine vergleichbaren T-Zellantworten erzielt werden wie mit den Gesamtallergenextrakten. Auch hier waren Proliferation und Zytokinproduktion durch CD4+ T-Zellen nach Stimulation mit Einzelallergen-gepulsten DC bei Verwendung von Glutaraldehyd-modifizierten Allergoiden vermindert. rnEine adjuvante Wirkung von Aluminiumhydroxid (Alum) in vitro konnte in dieser Arbeit nicht eindeutig gezeigt werden. Zunächst konnte beobachtet werden, dass die eingesetzten Alum-adsorbierten Allergene und Allergoide eine toxische Wirkung auf DC hatten. Die Proliferation CD4+ T-Zellen konnte durch DC, die mit Alum-adsorbierten Allergenen behandelt wurden, nicht verstärkt werden, verglichen mit DC, die mit unadsorbiertem Allergen gepulst wurden. Es konnte lediglich eine erhöhte Produktion des Th2 Zytokins IL-4 durch Alum induziert werden. Einen Adjuvanteffekt, der in Zusammenhang mit der Induktion des pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β stehen soll, konnte mittels ELISA in den Überständen unreifer DC nicht nachgewiesen werden. Lediglich in Monozyten, die zusätzlich mit dem TLR-Ligand LPS stimuliert wurden, war IL-1β in den Überständen detektierbar. Auf mRNA-Ebene konnte man einen leichten Effekt durch Alum hinsichtlich der IL-1β Expression erkennen. Nach zusätzlicher Gabe verschiedener Alum-Präparationen zu unreifen DC, die mit Allergen oder LPS stimuliert wurden, exprimierten diese leicht verstärkt IL-1β verglichen mit DC, die kein Alum erhielten.

Antigenspezifische DNA-Immunisierung in Kombination mit IDO-kodierenden Plasmiden zur Therapie der experimentellen Typ I-Allergie

Derzeit stellt die allergenspezifische Immuntherapie die einzige nicht allein antisymptomatische Behandlungsform zur langfristigen Therapie von Typ I-Allergien dar, welche grundlegende Änderungen im immunologischen Geschehen induziert. Sie ist jedoch verbesserungswürdig in Bezug auf Behandlungsdauer, Erfolgschancen und Nebenwirkungen. Daher wurde in dieser Arbeit eine Strategie zur Therapie von Typ I-Allergien entwickelt und evaluiert, welche auf der Inhibition allergenspezifischer T-Zellen durch Dendritische Zellen (DC), die selektiv nach DNA-Immunisierung sowohl das relevante Allergen als auch Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) konstitutiv produzieren, basiert. IDO ist ein Enzym aus dem Tryptophan-Stoffwechsel, dessen Produktion durch DC einen lokalen immunsuppressiven Mechanismus induziert und in verschiedenen Situationen mit der Induktion peripherer Toleranz assoziiert ist. Zunächst wurden Plasmide hergestellt, die entweder IDO alleine oder IDO zusammen mit dem Antigen unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV- bzw. des DC-spezifischen Fascin-Promotors kodieren. Die Überprüfung der IDO-Expression durch die monocistronischen Plasmide anhand von Transfektionsexperimenten in vitro ergab, dass die IDO-Expression unter der Kontrolle des CMV-Promotors sehr viel stärker ausfiel als unter der Kontrolle des Fascin-Promotors. Nach Transfektion mit den bicistronischen Vektoren, in denen die Transgene für das Antigen und IDO durch eine IRES-Sequenz verbunden waren, war die IDO-Expression jedoch insgesamt sehr schwach. Im Rahmen der Überprüfung der Funktionalität der IDO-Expressionplasmide in vivo unter Verwendung der Genpistole wurden daher lediglich Plasmide getestet, die alleine IDO unter der Kontrolle des CMV-Promotors bzw. des Fascin-Promotors kodieren. Auch in vivo wurde eine stärkere IDO-Expression nach biolistischer Transfektion mit solchen Vektoren beobachtet, in denen der CMV-Promotor zur Expressionskontrolle verwendet wurde. Die Analyse des Einflusses einer Koexpression von IDO auf die durch biolistische Immunisierung mit einem antigenkodierenden Vektor induzierte systemische Immunantwort offenbarte einen inhibitorischer Effekt für den Fall, dass die Antigenproduktion mittels des Fascin-Promotors auf DC fokussiert war und die Expression des koapplizierten IDO-Transgens unter der Kontrolle des CMV-Promotors stand. In diesem Fall wurde eine Reduktion der antigenspezifischen IgG1- und IgG2a-Produktion, eine verringerte Sekretion von IFN-y durch restimulierte Milz- und Lymphknotenzellen sowie eine Reduktion der Zahl antigenspezifischer CD8+ Effektor-T-Zellen nachgewiesen. Im Mausmodell der IgE-vermittelten Typ I-Allergie wurde weiterhin gezeigt, dass nach prophylaktischer biolistischer Vakzinierung unter Verwendung dieser Vektorkombination eine Inhibition der durch die Vakzinierung bedingten antigenspezifischen Th1-Immunantwort ausgelöst wurde. Die Suppression der Th2-Antwort, welche durch Transfektion mit dem Antigenkodierenden Vektor unter Kontrolle des Fascin-Promotors bewirkt wurde, wurde durch Kotransfektion mit den IDO-kodierenden Vektoren aufrecht erhalten.

Induktion tolerogener dendritischer Zellen zur Suppression von experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis und Kontaktallergie

Dendritische Zellen (DC) spielen als professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) eine zentrale Rolle in der Aktivierung und Regulierung antigenspezifischer Immunantworten. Aus diesem Grund wird der therapeutische Einsatz von DC zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien sowie zur Tumorbekämpfung erforscht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchten wir das Potenzial einer biolistischen DNA-Vakzinierung zur Induktion tolerogener DC in vivo. Im Tiermodell der Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein Peptid 35-55 (MOGp35-55) induzierten experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) sollte mittels präventiver biolistischer Kovakzinierung von Plasmid-DNA kodierend für MOG und die immunregulatorischen Zytokine TGFβ oder IL-10 eine protektive Immunität induziert werden. Die MOG-Expression stand dabei entweder unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV-Promotors oder des murinen Fascin-Promotors, um eine ektopische MOG-Expression spezifisch in dermalen DC und Langerhanszellen zu erreichen. Dass MOGp35-55-präsentierende DC nach biolistischer DNA-Vakzinierung von der Haut in die drainierenden Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen aktivieren, konnte im Vorfeld anhand einer substanziellen Proliferation von MOGp35-55-reaktiven 2D2 T-Zellen nachgewiesen werden. Im präventiven Ansatz der MOGp35-55-induzierten EAE zeigten Mäuse, die mit MOG-kodierenden Plasmiden biolistisch transfiziert wurden, eine leicht reduzierte EAE-Symptomatik. Die Kotransfektion von MOG und TGFβ führte zu einer Verstärkung der EAE-Suppression – unabhängig davon, ob die MOG-Expression unter der Kontrolle des CMV- oder des Fascin-Promotors stand. Interessanterweise resultierte die Koapplikation von MOG- und IL-10-kodierender Plasmid-DNA nur bei DC-fokussierter MOG-Expression zu reduzierter EAE-Symptomatik. Für biolistische DNA-Vakzinierungen stellt somit der Fascin-Promotor eine potente Alternative zu viralen Promotoren dar. Entsprechend der milderen EAE-Symptome beobachteten wir bei behandelten EAE-Mäusen einen geringeren Grad an Demyelinisierung sowie eine reduzierte Infiltration des ZNS mit IFNγ-produzierenden CD4+ Th1- und IL-17-produzierenden CD4+ Th17-Zellen. Desweiteren zeigten Milzzellen ex vivo nach MOGp35-55-Restimulation eine inhibierte Proliferation und eine signifikant reduzierte IFNγ- und IL-17-Zytokinproduktion. Überraschenderweise ging die antigenspezifische Immunsuppression nicht mit der Expansion von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen einher. Da die Milzen aber erhöhte Mengen an CD8+IFNγ+ T-Zellen aufweisen, könnte ein zytotoxisch-suppressiver Mechanismus für die Inhibition der Th1- und Th17-Immunantwort verantwortlich sein. Nachfolgende Untersuchungen sind notwendig, um die induzierten immunologischen Mechansimen mittels biolistischer DNA-Vakzinierung aufzuklären. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Generierung von tolerogenen DC in vitro. Dafür wurden murine Knochenmarkszellen unter DC-differenzierenden Bedingungen in Gegenwart des synthetischen Glucocorticoids Dexamethason (DEX) kultiviert. Die DEX-Zugabe führte zur Differenzierung von APC mit geringer CD11c-Expression. DEX-APC waren in vitro weitestgehend gegen LPS stimulierungsresistent und zeigten eine reduzierte Expression von MHC-II und den kostimulatorischen Molekülen CD80, CD86 und CD40. Ihrem tolerogenen Phänotyp entsprechend besaßen DEX-APC ein geringeres syngenes T-Zellstimulierungspotenzial als unbehandelte BM-DC. Anhand der erhöhten Oberflächenexpression von CD11b, GR1 und F4/80 besteht eine phänotypische Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Die Fähigkeit von DEX-APC in vivo antigenspezifische Toleranz zu induzieren, wurde durch einen therapeutischen Ansatz im murinen Krankheitsmodell der Kontaktallergie überprüft. Die therapeutische Applikation von DEX-APC führte hierbei im Vergleich zur Applikation von PBS oder unbehandelten BM-DC zu einer signifikant reduzierten Ohrschwellungsreaktion. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass potente tolerogene DC sowohl in vivo als auch in vitro induziert werden können. Dass diese Zellpopulation effektiv antigenspezifische Immunreaktionen supprimieren kann, macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien.rn