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.

Der Einfluss von TGF-beta1 auf regulatorische T-Zellen in einem murinen Modell für Asthma

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Pathogenese des Asthmas in einem murinen Modell zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Co-Expression von TGF-ß1 und IL-10 auf Treg notwendig ist, um im Tiermodell vor einer Atemwegs-Hyperreagibilität (AHR) zu schützen. Natürliche Treg konnten keinen Schutz vermitteln. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Schutz vor AHR durch TGF-ß1 über Empfänger T-Zellen vermittelt wird. Dabei reichte die alleinige Anwesenheit von TGF-ß1 nicht aus, vielmehr musste das Zytokin von Treg exprimiert werden. Ein Einfluss von TGF-ß1 überexprimierenden Treg auf die peribronchiale Entzündung konnte nicht festgestellt werden, wohingegen adoptiver Transfer von natürlichen Treg die Eosinophilen Anzahl in der Bronchiallavage signifikant verringern konnte. Dabei korrelierte die Eosinophilie mit den IL-5 Spiegeln in der Bronchiallavage. In dieser Arbeit konnte also eine Entkopplung der Mechanismen von AHR und Entzündung festgestellt werden. Die weitere Aufklärung der Mechanismen der Suppression der AHR durch TGF-ß1 und IL-10 produzierende Treg könnte daher die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze bei Atemwegserkrankungen ermöglichen.

Die Rolle regulatorischer T-Zellen im experimentellen allergischen Asthma

Im ersten Teil der Dissertation wurde in einem experimentellen Asthmamodell demonstriert, dass die Signaltransduktion über IL-6 das Gleichgewicht zwischen Effektorzellen und regulatorischen T-Zellen durch verschiedene Rezeptorkomponenten kontrolliert. Hierbei zeigte sich, dass speziell das IL-6 Trans-Signaling über den sIL-6R die TH2 Cytokinproduktion steuert. Dagegen führt die Blockade des mIL-6R zur Expansion regulatorischer T-Zellen mit suppressiven Eigenschaften. Diese CD4+CD25+ Tregs induzieren außerdem IFN gamma produzierende CD4+ T-Zellen in der Lunge und verbessern daneben die AHR. Im Überblick konnte in der vorliegenden Dissertation demonstriert werden, dass IL-6 die Balance zwischen der Funktion von Effektorzellen und regulatorischen T-Zellen in der Lunge über unterschiedliche Wege kontrolliert, dem sIL-6R und dem mIL-6R. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die lokale Blockade der IL-2R alpha- und IL-2R beta-Kette untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Blockade der IL-2R beta-Kette zur Verbesserung der AHR als auch der Rekrutierung eosinophiler Granulozyten in den Atemwegen führt. Beide Blockaden führen zur Reduktion der TH2 Cytokine IL-4 und IL-5, wohingegen IL-13 nur nach Blockade der IL-2R beta-Kette vermindert sezerniert wird. In diesem Zusammenhang wurde auch die Rolle CD4+CD25+ regulatorischer T-Zellen untersucht, wobei eine Induktion dieser Population in den Lymphknoten nach Blockade der IL-2R beta-Kette nachgewiesen werden konnte. Die Blockade der IL-2R beta-Kette wirkt sich positiv auf experimentelle Asthmastudien aus und stellt somit ein mögliches therapeutisches Potential dar, erfordert aber teilweise noch weitere Untersuchungen.

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.

Die Rolle von Interleukin-22 bei Asthma bronchiale

Interleukin (IL)-22 ist ein Effektorzytokin, das von Zellen des Immunsystems produziert wird und auf Epithelzellen wirkt. Es nimmt eine duale Rolle ein, indem es abhängig vom Gewebe und Zytokinmilieu entweder entzündungsfördernden oder entzündungshemmenden Einfluss ausübt. Über seine Wirkung bei Asthma bronchiale ist bislang noch wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit konnten in einem murinen Modell der allergischen Atemwegsentzündung lymphoide Zellen des angeborenen Immunsystems als Hauptproduzenten für IL-22 detektiert werden, die bislang noch nicht im Zusammenhang mit Asthma bronchiale beschrieben wurden. Es konnte gezeigt werden, dass IL-22- defiziente Mäuse eine verstärkte Atemwegsentzündung entwickelten und sich die IL-22-Defizienz in diesem Modell entzündungsfördernd auf die induzierte Atemwegsentzündung auswirkte. Mit Hilfe einer murinen bronchialen Epithelzelllinie wurden die Mechanismen des IL-22 und die Expression Asthma-relevanter Mediatoren untersucht. Der beobachtete inhibierende IL-22-Effekt ließ sich mit Hilfe seines natürlichen Antagonisten IL-22BP neutralisieren. Diese entzündungshemmende Wirkung des IL-22 konnte ebenfalls in Wildtyp-Mäusen, denen rekombinantes IL-22 intratracheal verabreicht worden war, bestätigt werden.

Analysen zur Expression proinflammatorischer Mediatoren in humanen Zellkulturmodellen und murinen Tiermodellen chronisch-inflammatorischer Erkrankungen

Die humane induzierbare NO-Synthase (iNOS) spielt bei zahlreichen Erkrankungen wie Asthma, Krebs und der rheumatoiden Arthritis eine entscheidende Rolle. Durch Fehlregulation der iNOS-Expression kommt es häufig zu massiven Gewebeschädigungen. Aus diesem Grund ist es wichtig die Mechanismen der Genregulation der iNOS-Expression zu verstehen. Bei Affinitätschromatographie-Analysen wurde das zytosolische PolyA-bindende Protein (PABP) als direkter Interaktionspartner der 3´UTR der humanen iNOS identifiziert. Weitere Bindungsanalysen konnten eine spezifische Bindestelle für PABP in der 5´UTR und zwei Bindestellen im AU-reichen Bereich der 3´UTR der humanen iNOS nachweisen. Eine siRNA-mediierte Herabregulation von PABP mit Hilfe der stabilen Expression spezifischer siRNAs in DLD-1 Zellen (siPABP Zellen) zeigte eine signifikant verringerte Expression der humanen iNOS und damit einhergehend eine verringerte NO-Produktion nach Zytokinstimulation. Promotoranalysen zeigten keine Veränderung der Induzierbarkeit des humanen 16 kb iNOS-Promotors in siPABP Zellen. RNA-Stabilitätsanalysen zeigten einen verstärkten Abbau der iNOS-mRNA in diesen Zellen, so dass davon auszugehen ist, dass die Regulation der humanen iNOS über die mRNA-Stabilität erfolgt. Reportergen-Analysen mit Plasmiden, welche die 5’ und/oder 3’UTR Sequenzen der humanen iNOS mit den identifizierten PABP-Bindestellen oder Mutationen in diesen Bindestellen enthielten, zeigten, dass PABP die iNOS-mRNA über die 5´UTR stabilisiert und anscheinend über die 3´UTR einen destabilisierenden Effekt auf die mRNA ausübt. Ebenfalls scheint PABP über die 3’UTR dieTranslation der iNOS mRNA zu hemmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass PABP, über seine allgemeinen Funktionen hinaus, eine spezifische Rolle in der Regulation der Expression der humanen iNOS einnimmt.rnDie rheumatoide Arthritis (RA) ist eine chronisch entzündliche Autoimmunerkrankung, welche überwiegend die peripheren Gelenke der Hände und Füße betrifft. Die aktuellen Therapiemöglichkeiten sind immer noch mit einer Vielzahl von Nebenwirkungen behaftet und führen nicht zur vollständigen Remission der Erkrankung, so dass die Entwicklung neuer Medikamente unerlässlich ist. In dieser Arbeit wurden die antiinflammatorischen Substanzen Gallielalacton (Gal) und Oxacyclododecindion (Oxa) im Mausmodell der kollagen-induzierten Arthritis (CIA) getestet. Leider waren beide Substanzen nicht in der Lage die Symptome der CIA zu vermindern, obwohl beide im Modell der LPS-induzierten akuten Entzündung die Expression proinflammatorischer Mediatoren senken konnten. Die Substanz S-Curvularin (SC) hat sich im CIA-Modell bereits bewährt und wurde in dieser Arbeit weiter untersucht. SC war in der Lage die Expression knorpel- und knochendestruktiver Markergene signifikant zu verrindern. rnIn der vorliegenden Arbeit wurden neue microRNAs identifiziert, die in der Pathogenese der CIA eine Dysregulation zeigen. Die Expression dieser microRNAs wurde von SC wieder auf das Normalniveau gebracht, so dass SC eine vielversprechende Substanz in der Therapie chronisch inflammatorische Erkrangungen sein könnte. Die neu identifizierten CIA-relevanten microRNAs könnten als neueRA-Marker oder als Zielstrukturen für neue Medikamente dienen.rn

Klinische, zelluläre und immunologische Charakterisierung des Asthmas im Hinblick auf die Asthma-Kontrolle

Asthma, eine der häufigsten Atemwegserkrankungen, ist ein komplexes Syndrom heterogener Phänotypen. Ihnen allen gemeinsam ist eine Entzündung der Atemwege mit bronchialer Hyperreagibilität und variabler Atemwegsobstruktion.Die Globale Initiative für Asthma (GINA) empfiehlt, eine Therapie am Grad der Asthmakontrolle zu orientieren. Es wird dabei zwischen kontrolliertem, teilweise kontrolliertem und unkontrolliertem Asthma unterschieden. rnDer vorliegenden Dissertation lag die Frage zu Grunde, inwieweit etablierte klinische, funktionelle, zelluläre und Labor-Parameter den Verlauf der Asthmakontrolle wiederspiegeln. Diese Parameter sollten bei klinisch stabiler Kontrolle ebenfalls stabil bleiben, oder eine Änderung gleichgerichtet wiedergeben. Hierzu wurden 120 Patienten im Hinblick auf ihre Asthmakontrolle kategorisiert und im zeitlichen Verlauf an 3 Visiten zum Zeitpunkt 0 (V0), eine Woche (V1) und 6 Monate später (V2) untersucht. Bestimmt wurden klinische Parameter wie Fragebögen zur Asthmakontrolle (ACQ-5 Scores), funktionelle Parameter wie die Lungenfunktion oder die bronchiale Hyperreagibilität zelluläre Parameter wie das Stickoxid im Exhalat (NO) als Korrelat der bronchialen Entzündung, der Anteil eosinophiler Granulozyten im Sputum, die Anzahl eosinophiler und neutrophiler Granulozyten pro nl Blut, die Gesamt-IgE-Spiegel im Serum und zellbiologische Parameter wie die Anteile regulatorischer T-Zellen und die Anteile der T-Zellen, die die Zytokine IFN-ɣ, IL-4, IL-5, IL-10, IL-13 und IL-17 produzieren.rnDie Verbesserung der Asthmakontrolle spiegelte sich in einem Rückgang des NOs um im Median 5,8 ppb (p=0,016) nach 6 Monaten wieder. Sonst ließen sich keine Parameter identifizieren, die die Entwicklung der Asthmakontrolle in positiver oder negativer Richtung abbildeten. Bemerkenswerter Weise bildete selbst der ACQ, der als etabliertes Messinstrument für die Asthmakontrolle gilt, diese Veränderungen nicht ab.rnZellbiologisch unterschieden sich die Patienten mit unterschiedlicher Asthmakontrolle weder in den Anteilen Zytokin-produzierender T-Zellen, noch im Anteil regulatorischer T-Zellen.rnDie Anteile der Zytokin-produzierenden T-Zellen unterlagen im zeitlichen Verlauf zwar deutlicheren Schwankungen als die Anteile regulatorischer T-Zellen, im Median blieben beide jedoch konstant. Die Anteile der Zytokin-produzierenden T-Zellen und regulatorischer Zellen lassen also keine Rückschlüsse auf den Verlauf der Asthmakontrolle zu.rnZusammenfassend ist lediglich das NO geeignet, die Verbesserung der Asthmakontrolle zu beschreiben. Deshalb erscheint es im Angesicht der Ergebnisse dieser Studie nicht sinnvoll, therapeutische Entscheidung lediglich auf Basis eines einzelnen Parameters zu treffen. Hierfür bleibt nach wie vor nur die Zusammenschau verschiedener Untersuchungsergebnisse.rn